第十三章 框架结构设计习题与答案
一、选择题(多项和单项选择)
1、在水平荷载下采用D值法计算规则框架内力时,( A C F )。
A、节点既有水平位移,又有角位移;
B、同层各节点水平位移及角位移均不相等;
C、柱抗侧移刚度考虑了转角,引入梁柱线刚度比的影响;
D、柱抗侧移刚度引入梁柱线刚度比、上下横梁线刚度比的影响;
E、当层高、梁与柱截面尺寸均相同时,除底层外,各柱反弯点均在1/2处;
F、D值法比反弯点法计算精度高。
2、多层与高层房屋常用的结构体系( A B C D F )。
A、框架结构 B、剪力结构 C、筒体结构 D、混合结构
F、框架-剪力墙结 E、钢结构 G、木结构
3、框架结构按施工方法不同可分( A B C )。
A、现浇整体式 B、装配式 C、装配整体式
4、 框架结构有( A B C )几种结构方案。
A、横向框架承重 B、纵向框架承重
C、纵横向框架承重 D、内框架承重
5、框架结构的抗震设计要求做到( B C D )
A、强梁弱柱 B、强剪弱弯 C、强柱弱梁 D、强节点
6、竖向荷载作用下框架结构内力计算方法( A B )
A、分层法 B、弯矩二次分配法 C、D值法 D、反弯点法
二、判断题
1、整浇框架中,中、边框架梁刚度为2EI、1.5EI,系考虑梁板的整体工作。( 对 )
2、在分层法中,柱线刚度均取0.9,传递系数取1/3。(错 )
3、用分层法计算时,各层横梁的弯矩值即为相应分层的计算值。(对 )
4、竖向及水平荷载下产生的梁端弯矩,均可以调幅。(错 )
5、水平荷载下框架柱反弯点位置偏向刚度小的一端。(对)
6、用反弯点法计算水平荷载下框架内力时,梁上反弯点均位于梁的中点。(错 )
7、用D值法计算水平荷载下框架内力时,梁柱线刚度比越大,中间层反弯点越接近1/2。(对 )
8、用D值法计算水平荷载下框架内力时,当柱上端转角大于柱下端转角,反弯点偏于柱下端。(对 )
9、框架内力计算方法中,弯矩二次分配法仅适用于无侧移的情况(对 )
10、D值法适用于梁柱线刚度比不太大或上下层层高高度变化较大时(对 )
11、在框架内力计算中,弯矩调幅不仅对竖向荷载作用下的内力进行,而且 对水平荷载作用下的内力进行( 错 )
12框架—剪力墙结构中、主要利用剪力墙宋承担大部分竖向荷载和水平 剪力。( 错 )
13、规则框架(各层层高、梁及柱截面相同)底层柱配筋起控制作用。( 错 )
14、分层法中.除底层柱外,各层柱的弯矩传递系数为1/3。(对 )
15、在由节点弯矩平衡求各梁端弯矩时,中间节点处的梁端弯矩可将该节点16、柱端不平衡弯矩按梁的相对线刚度进行分配。( 对 )
17、整体剪力墙就是剪力墙上没有洞口的剪力墙。( 错 )
18、框架结构是由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构,节点一般为刚性节点。( 对 )
三、简答题
1、框架结构在哪些情况下采用?按施工方法分,框架结构有哪几种形式?
答:框架结构:由于其抗侧刚度小,故常用于高度不大于55M的房屋中,否则将使下层柱截面过大。一般需要内部空间开阔的多高层民用建筑和工业建筑常采用。
按施工方法分:现浇式、装配式和装配整体式。
框架结构承重布置方案的不同可分:
(1)横向框架承重方案;
(2)纵向框架承重方案;
(3)纵向横向框架承重方案。
2、框架结构布置的原则是什么?框架结构平面布置有几种形式?各自的特点是什么?
答:框架结构布置的原则:结构布置在建筑的平.立.剖面和结构的形式确定以后进行。对于建筑剖面不复杂的结构,只需进行结构平面布置;对于建筑剖面复杂的结构,除应进行结构平面布置外,还须进行结构的竖向布置。进行结构布置时,应满足以下的一般原则:
(1)满足使用要求,并尽可能地与建筑的平.立.剖面划分相一致;
(2)满足人防.消防要求,使水.暖.电各专业的布置能有效地进行;
(3)结构应尽可能简单.规则.均匀.对称,构件类型少;
(4)妥善地处理温度.地基不均匀沉降以及地震等因素对建筑的影响;
(5)施工简便;
(6)经济合理。
框架结构平面布置:
(1)横向承重布置:特点—横向框架往往跨数少,主梁沿横向布置有利于提高结构的横向抗侧刚度。
(2)纵向承重布置:特点_房间布置灵活,采光和通风好,利于提高楼层净高,需要设置集中通风系统的厂房采用这种方案。
(3)双向承重布置:特点_当楼面上作用较大荷载,或楼面上开有较大洞口,或当柱网布置为正方形或接近正方形时,常采用这种方案。 纵向横向框架承重方案具有较好的整体工作性能。
3、如何确定框架结构的计算简图?
答:确定框架结构的计算简图时,梁的跨度取柱轴线之间的距离。每层柱的高度,则取层高。底层的层高是从基础顶面算起到二层板底的距离,其余各层的层高取相邻两层楼盖板底到板底间的距离。
4、用分层法计算结构在竖向荷载作用下的内力采用了哪些假定?
答:采取下面的两个假定:
(1)除底层柱外,其余各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数。
(2) 除底层柱外,其余各层柱的弯矩传递系数取为1/3;首层节点向底层柱底的弯矩传递系数取为1/2。
5、反弯点法和D值法有什么异同点?
答: 反弯点法在考虑柱侧移刚度d时,假设节点转角为0,亦即横梁的线刚度假设为无穷大。对于高层建筑,由于各种条件的限制,柱子截面往往较大,经常会有梁柱相对线刚度比较接近,甚至有时柱的线刚度反而比梁大。这样,上述假设将产生较大误差。另外,反弯点法计算反弯点高度y时,假设柱上下节点转角相等,这样误差也较大,特别在最上和最下数层。此外,当上.下层的层高变化大,或者上.下层梁的线刚度变化较大时,用反弯法计算框架在水平荷载作用下的内力时,其计算结果误差也较大。
考虑到以上的影响因素和多层框架受力变形特点,可以对反弯点法进行修正,从而形成一种新的计算方法——D值法。D值法相对于反弯点法,主要从以下两个方面做了修正:修正柱的侧移刚度和调整反弯点高度。修正后的柱侧移刚度用D表示,故该方法称为“D值法”。D值法的计算步骤与反弯点法相同,计算简单.实用,精度比反弯点法高,因而在高层建筑结构设计中得到广泛应用。
D值法也要解决两个主要问题:确定侧移刚度和反弯点高度。
6、如何计算框架梁.柱控制截面上最不利内力?
答:在构件设计时,要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力,作为配筋设计的依据。首先要确定构件的控制截面,其次要挑选这些截面的最不利内力。所谓最不利内力,就是使截面配筋最大的内力。
控制截面通常是内力最大的截面,但是不同的内力(如弯矩、剪力)并不一定在同一截面达到最大值,因此一个构件可能同时有几个控制截面。
对于框架横梁,其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处,在水平荷载作用下,端截面还有正弯矩。而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。在梁端截面(指柱边缘处的梁截面),要组合最大负弯矩及最大剪力,也要组合可能出现的正弯矩。注意,由于内力分析结果都是轴线位置处的梁的弯矩及剪力,但在配筋计算时应采用柱边截面处的内力,因而在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。
对于柱子,根据弯矩图可知,弯矩最大值在柱两端,剪力和轴力值在同一楼层内变化较小。因此,柱的设计控制截面为上.下两个端截面。
注意,在轴线处的计算内力也要换算到梁上、下边缘处的柱截面内力。
柱子弯矩和轴力组合要考虑下述四种可能情况:
1)及相应的N.V
2)及相应的M
3)及相应的M
4)比较大(不是绝对最大),但N比较小或比较大(不是绝对最小或绝对最大)。
有时绝对最大或最小的内力不见得是最不利的。对于大偏心受压构件,愈大,截面需要的配筋愈多。对于小偏压构件`,如果N不是最大,但相应的M比较大时,配筋也会多一些。所以,组合时要找第4)种情况,而且常常是这种情况控制配筋。
7、框架梁、柱纵向钢筋和箍筋应满足哪些构造要求?如何处理梁与柱的节点构造?
答:框架结构的梁净跨与截面高度之比不宜小于4。梁的截面宽度不宜小于200mm,梁截面的高宽比不宜大于4。当梁高较小或采用扁梁时,除验算其承载力和受剪截面要求外,尚应满足刚度和裂缝的有关要求。在计算梁的挠度时,可扣除梁的合理起拱值;对现浇梁板结构,宜考虑梁受压翼缘的有利影响。
1、框架梁设计应符合下列要求:
(1)抗震设计时,计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比值,一级不应大于0.25,二.三级不应大于0.35;
(2)纵向受拉钢筋的最小配筋百分率ρ min (%),非抗震设计时,不应小于0.2和45ft /fy 二者的较大值;抗震设计时,不应小于有关规定的数值;
(3)抗震设计时,梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%;
(4)抗震设计时,梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积的比值,除按计算确定外,一级不应小于0.5,二.三级不应小于0.3;
(5)抗震设计时,梁端箍筋的加密区长度。箍筋最大间距和最小直径应符合有关规定的要求;当梁端纵向钢筋配筋率大于2%时,表中箍筋最小直径应增大2㎜。
2.梁的纵向钢筋配置,尚应符合下列规定:
(1)沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向配筋,一、二级抗震设计时钢筋直径不应小于14mm,且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4;三、四级抗震设计和非抗震设计时钢筋直径不应小于12mm;
(2)一、二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋的直径,对矩形截面柱,不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20;对圆形截面柱,不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。
3、抗震设计时,框架梁的箍筋尚应符合下列构造要求:
(1)框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率应符合下列要求:
一级ρ sv ≥0.30ft/fyv
二级ρ sv ≥0.28ft/fyv
三、四级ρ sv ≥0.26ft/fyv
式中 ρsv ——框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率。
(2)第一个箍筋应设置在距支座边缘50㎜处;
(3)在箍筋加密区范围内的箍筋肢距:一级不宜大于200㎜和20倍箍筋直径的较大值,二、三级不宜大于250㎜和20倍箍筋直径的较大值,四级不宜大于300㎜;
(4)箍筋应有135°弯钩,弯钩端头直段长度不应小于10倍的箍筋直径和75㎜的较大值;
(5)在纵向钢筋搭接长度范围内的箍筋间距,钢筋受拉时不应大于搭接钢筋较小直径的5倍,且不应大于100㎜;钢筋受压时不应大于搭接钢筋较小直径的10倍,且不应大于200㎜;
(6)框架梁非加密区箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍。
4、非抗震设计时,框架梁箍筋配筋构造应符合下列规定:
(1)应沿梁全长设置箍筋;
(2)截面高度大于800mm的梁,其箍筋直径不宜小于8㎜;其余截面高度的梁不应小于6mm。在受力钢筋搭接长度范围内,箍筋直径不应小于搭接钢筋最大直径的0.25倍;
(3)箍筋间距不应大于有关的规定;在纵向受拉钢筋的搭接长度范围内,箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的5倍,且不应大于100㎜;在纵向受压钢筋的搭接长度范围内,箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的10倍,且不应大于200㎜;
(4)当梁的剪力设计值大于0.7f t bh 0 时,其箍筋面积配筋率应符合下式要求: ρ sv ≥0.24f t /f yv
(5)当梁中配有计算需要的纵向受压钢筋时,其箍筋配置尚应符合下列要求: 1)箍筋直径不应小于纵向受压钢筋最大直径的0.25倍;
2)箍筋应做成封闭式;
3)箍筋间距不应大于15d且不应大于400㎜;当一层内的受压钢筋多于5根且直径大于18㎜时,箍筋间距不应大于10d(d为纵向受压钢筋的最小直径);
4)当梁截面宽度大于400㎜且一层内的纵向受压钢筋多于3根时,或当梁截面宽度不大于400㎜但一层内的纵向受压钢筋多于4根时,应设置复合箍筋。
5、框架节点的构造
框架结构梁柱节点的连接直接影响结构安全.经济以及施工是否方便。设计时,梁柱通长采用不同等级的混凝土(柱的混凝上强度等级比梁高),这时要注意节点部位混凝土强度等级与柱相比不能低很多(通常不宜超过5 ),否则节点区应做专门处理。
在梁柱节点区应设置水平箍筋,水平箍筋应符合规范的构造规定。非抗震设计时,箍筋间距不宜大于250 ;抗震设计时,箍筋设计应符合柱端箍筋加密区的要求。
非抗震设计时,应符合下列要求:
1)顶层中节点柱纵向钢筋和边节点柱内侧纵向钢筋应伸至柱顶;当从梁底边计算的直线锚固长度不小于( 为受拉钢筋的锚固长度)时,可不必水平弯折,否则应向往内或梁.板内水平弯折,当充分利用柱纵向钢筋抗拉强度时,其锚固段弯折前的竖直投影长度不应小于O.5 ,弯折后的水平投影长度不宜小于12倍的柱纵向钢筋直径;
2)顶层端节点处,在梁宽范围以内的柱外侧纵向钢筋可与梁上部纵向钢筋搭接,搭接长度不应小于1.5 ;在梁宽范围以外的柱外侧纵向钢筋可伸入现浇板内,其伸人长度与伸入梁内的相同;
3)梁上部纵向钢筋伸人端节点的锚固长度,直线锚固时不应小于 ,且伸过柱中心线的长度不宜小于5倍的梁纵向钢筋直径;当柱截面尺寸不足时,梁上部纵向钢筋应伸至节点对边并向下弯折,锚固段弯折前的水平投影长度不应小于 0. 4 ,弯折后的竖直投影长度取15倍的梁纵向钢筋直径;
4)梁下部纵向钢筋伸人节点内的锚固长度应取不小于12倍的梁纵向钢筋直径。
抗震设计时,框架节点的构造要求更严格。
四、简答题
1、适用分层法计算图所示框架结构的内力,括号内的数字表示梁.柱相对线刚度I值。
解:⑴.求各节点的分配系数
层次
节点
相对线刚度
相对线刚度总和
分配系数
左梁
右梁
上柱
下柱
左梁
右梁
上柱
下柱
顶层
G
7.63
4.21×0.9=3.79
11.42
0.668
0.332
H
7.63
10.21
4.21×0.9
21.63
0..533
0.472
0.175
I
10.21
1.79×0.9=1.61
11.82
0.864
0.136
底层
D
9.53
4.21×0.9=3.79
7.11
20.43
0.466
0.186
0.348
E
9.53
12.77
4.21×0.9
4.84
30.93
0.308
0.413
0.123
0.156
F
12.77
1.79×0.9=1.61
3.64
18.02
0.709
0.089
0.202
固定端弯矩
=-=(-×25×)=-117.19KN.m
=-=(-×25×)=-65.33KN.m
=-(-×35×)=-164.1KN.m
=-(-×31×)=-81KN.m
大柱
右梁
左梁
下柱
右梁
左梁
下柱
0.332
0.668
0.353
0.175
0.472
0.864
0.136
Q
-117.2
117.2
H-65.3
65.3
I
38.68
78.52→×
39.26
28.08
←-56.16
-9.142
-20.9
←41.75
-21.47
-56.1
-28.1
←24.17
3.93
6.897
14→
7
-6.69
3.44
12.1
-8.98
5.2
-5.21
45.59
45.59
115.1
-24.9
-98.2
↓×
↓×
↓
15.2
-8.3
-1.74
上柱
下柱
右梁
左梁
上柱
下柱
右梁
左梁
上柱
下柱
0.186
0.348
0.466
0.308
0.123
0.156
0.413
0.709
0.089
0.202
D
-164.1
164.1
E -81
81
F
31.18
57.4
77.1→
38.6
-28.8
←-57.5
-7.29
-16.2
-14.42
←-28.83
-11.16
-14.9
-38.13→
-19.1
2.74
5.05
6.78→
3.39
6.78
←13.56
1.72
3.28
33.92
62.45
-94.64
-3.15
-1.22
-1.63
-4.17
17.96
-5.57
-12.38
↓
171.1
-12.38
-16.53
-145.3
↓
↓
31.23
-8.27
-6.19
框架结构设计习题
13-1 用分层法作图13-28所示框架的弯矩,其中括号内的数字表示梁柱各构件的相对钱刚度i值(i=EI/L)。
解:1 用分层法计算竖向荷载下框架内力步骤:
1)画出框架计算图
2)计算梁、柱线性相对刚度:除低层柱外,其他各层柱的线性刚度(或相对刚度)乘以0.9;计算各节点的弯矩分配系数。
3)用弯矩分配法从上到下分层计算各计算单元的杆端弯矩(一般每个节点分配1~2次即可)。
4)叠加有关各杆端弯矩,得出框架的最后弯矩图。
2 具体求解:
1)用分层法求解本框架的计算简图,如图
2)计算各节点处梁、柱的分配系数,结果见下表。
层数
节点
相对线性刚度(ⅰ)
∑ⅰ
分配系数(u)
左梁
右梁
上柱
下柱
左梁
右梁
上柱
下柱
三
J
12
7.2
19.2
0.625
0.375
K
12
12
7.2
31.2
0.38
0.38
0.24
L
12
7.2
19.2
0.625
0.375
二
G
10
7.2
6.75
23.95
0.42
0.3
0.28
H
10
10
7.2
6.75
33.95
0.295
0.295
0.21
0.20
I
10
7.2
6.75
23.95
0.42
0.3
0.28
一
D
13
7.5
9
29.5
0.44
0.25
0.31
E
13
11
7.5
9
40.5
0.32
0.27
0.19
0.22
F
11
7.5
9
27.5
0.4
0.27
0.33
3) 用弯矩分配法从上到下分层计算各单元的杆端的弯矩。在弯矩分与传递计算时,先从不衡弯矩较大节点开始,一般每个节点分配两次即可。另外,底层柱和所有的梁的传递系数为1/2,其他柱的传递系数为1/3。各计算单元构件的具体弯矩分配如下图:
Mjk =-1/12ql2=-9KN·M
Mkj=9 KN·M
同理可得:Mlk=1/12ql2=10.5KN·M
Mkl=-1/12ql2=-10.5KN·M Mlk=1/12ql2=10.5KN·M
Mjk=-1/12ql2=-13.5KN·M Mkj=1/12ql2=13.5KN·M
Mkl=-1/12ql2=-12KN·M Mlk=1/12ql2=12KN·M
MDE=-1/12ql2=-12KN·M MED=1/12ql2=12KN·M MEF=-1/12ql2=-10.5KN·M MFE=1/12ql2=10.5KN·M
4) 叠加以上有关各杆件弯矩,得出框架的最后弯矩图。
弯矩图
13-2 用弯矩二次分配法作图13-28所示框架的弯矩图。
解;1用弯矩二次分配法计算竖向荷载下框架内力步骤:
1)计算梁、柱线性相对刚度及线性刚度;计算各节点处的弯矩分配系数。
2)计算竖向荷载作用下各梁的固端弯矩,并将各点不平衡弯矩一次进行第一次分配。
3)将所有杆端的分配弯矩向远端传递,传递系数取1/2。
4)将各节点因传递而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配,使各节点处于平衡状态。
5)将各杆端的固端弯矩、分配弯矩相加,即得到各杆端弯矩。
2具体求解
1) 计算各节点处的弯矩分配系数。结果见下表;
层数
节点
相对线性刚度(ⅰ)
∑ⅰ
分配系数(u)
左梁
右梁
上柱
下柱
左梁
右梁
上柱
下柱
三
J
12
8
20
06
0.4
K
12
12
8
32
0.375
0.375
0.25
L
12
8
20
0.6
0.4
二
G
10
8
7.5
22.5
0.392
0.317
0.294
H
10
10
8
7.5
35.5
0.281
0.282
0.225
0.211
I
10
8
7.5
22.5
0.392
0.317
0.294
一
D
13
7.5
9
29.5
0.44
0.25
0.31
E
13
11
7.5
9
40.5
0.32
0.27
0.19
0.22
F
11
7.5
9
27.5
0.4
0.27
0.33
2)计算竖向荷载作用下各梁的固端弯矩,并将各点不平衡弯矩一次进行第一次分配
3)将所有杆端的分配弯矩向远端传递,传递系数取1/2。
4)将各节点进行第二次分配。
5)将各杆端的固端弯矩、分配弯矩相加,即得到各杆端弯矩。
具体计算如下图所示;
13-3 试用反弯点法作图13-19所示框架的弯矩图,其中括号内的数字为各杆的相对线性刚
解:1)确定层间剪力Vi。由左图可知该框架的三层间剪力V1,V2和V3分别为:
第一层间剪力
V1=(20+17+10)=47KN
第二层间剪力
V2=(17+20)=37KN
第三层间剪力
V3=10KN
2)确定各层中柱分配到的剪力Vi。
第一层
VAB=×47=16.79KN
VEF=×47=16.79KN
VIJ= ×47=13.43KN
第二层各柱分配到的剪力分别为
VBC= ×27=9KN
VFG= ×27=12KN
VFG= ×27=6KN
第三层各柱分配到的剪力分别为
VCD= ×10=3.33KN
VGH= 10=4.44KN
VGH= 10=2.22KN
3)确定柱的反弯点高度yh(即柱的反弯点至柱下端的距离)对于上部各层柱,反弯点位于柱的中心处,即y= ,对于底层柱,反弯点偏离中心点向上可取y= 。
4)确定柱端弯矩。
第一层各柱端弯矩分别为;
MAB= ×6×16.79=67.16kn·m MBA=×6×16.79=33.58kn·m
MEF= ×6×16.79=67.16kn·m MFE=×6×16.79=33.58kn·m
MIJ= ×6×13.43=53.72kn·m MAB=×6×13.43=26.86kn·m
第二层柱端弯矩
MBC= MCB=×6×9=22.5kn·m
MFG= MGF=×5×12=30kn·m
MJL= MLJ=×5×6=15kn·m
第三层柱端弯矩
MDC= MCD=×4×3.33=6.66kn·m
MFB= MBF=×4×4.44=8.88kn·m
MLM= MML=×4×2.22=4.44kn·m
5)确定梁端各弯矩
;
第一层梁端弯矩
MBF= MBC +MBA=22.5+33.58=56.08 kn·m
MFB= ×(33.58+30)= 31.79kn·m
MFJ= ×(30+33.58)=31.79 kn·m
MJF= 15+36.86= 41.86kn·m
第二层梁端弯矩
MCG= MCD +MCB=6.66+22.5=29.16 kn·m
MGC= ×(8.88+30)=14.95 kn·m
MGL=×(8.88+30)=23.93 kn·m
MLG= 4.44+15= 19.44 kn·m
第二层梁端弯矩
MDH=6.66= MDC
MHD= ×8.88=3.42 kn·m
MMH= MML=4.44 kn·m
MHD= ×8.88=5.46 kn·m
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