框架侧移刚度计算
框架结构内力位移计算算例
结构力学课程大作业——多层多跨框架结构内力及位移计算班级学号姓名华中科技大学土木工程与力学学院年月日结构力学课程大作业——多层多跨框架结构内力与位移计算一、任务1、计算多层多跨框架结构在荷载作用下的弯矩和结点位移。
2、计算方法要求：（1）用迭代法、D 值法、反弯点法及求解器计算框架结构在水平荷载作用下的弯矩，并用迭代法的结果计算其结点位移。
（2）用迭代法、分层法、二次力矩分配法及求解器计算框架结构在竖向荷载作用下的弯矩，并用迭代法的结果计算其结点位移。
3、分析近似法产生误差的原因。
二、计算简图及基本数据本组计算的结构其计算简图如图1所示，基本数据如下。
混凝土弹性模量：723.010/h E kN m =⨯构件尺寸：柱：底 层：23040b h cm ⨯=⨯其它层：23030b h cm ⨯=⨯ 梁：边 梁：22560b h cm ⨯=⨯中间梁：22530b h cm ⨯=⨯ 水平荷载：'15P F kN ＝，30P F kN ＝（见图2）竖向均布恒载：17/q kN m 顶＝ 21/q kN m 其它＝（见图8） 图1各构件的线刚度：EIi L =，其中312b h I ⨯=边 梁：33410.250.6 4.51012I m -⨯==⨯F 7311 3.010 4.510225006EI i kN m L -⨯⨯⨯===⋅ 中间梁： 34420.250.3 5.6251012I m -⨯==⨯ 7422 3.010 5.6251067502.5EI i kN m L -⨯⨯⨯===⋅ 底层柱： 33440.30.4 1.61012I m -⨯==⨯ 7344 3.010 1.61096005EI i kN m L -⨯⨯⨯===⋅ 其它层柱：34430.30.3 6.751012I m -⨯==⨯ 7433 3.010 6.75106136.43.3EI i kN m L -⨯⨯⨯===⋅ 三、水平荷载作用下的计算 （一）用迭代法计算1、计算各杆的转角分配系数ikμ' 转角分配系数计算公式：()2ikikiki i i μ'=-∑结点“1”：12225000.3932(6136.422500)μ'=-=-⨯+156136.40.1072(6136.422500)μ'=-=-⨯+结点“2”：21225000.3182(67506136.422500)μ'=-=-⨯++图2232(67506136.422500)⨯++266136.40.0872(67506136.422500)μ'=-=-⨯++由于该结构是对称结构，因此结点“3”的分配系数应该等于结点“2”的，结点“4”的分配系数应该与结点“1”的相等，所以本题只需计算1、2、5、6、9、10、13、14、17、18结点的分配系数。
框架结构的内力和位移计算
H
（4.21）
（10.53）
E
（4.84）
（括号内数字为线刚度相对值）
A
（i=EI/l）
B
8.00m
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（8.21）
I
（2.00） q=2.4kN/m
（10.77）
F
（5.00）
C
6.00m
19
4.40m
3.80m
水平荷载作用下的近似计算——反弯点法
框架所受水平荷载主要是风力和地震作用。将在每个楼层上 的总风力和总地震作用分配给各个框架，将结构分析简化为平面 框架分析。 • 受力和变形特点 • 假定条件 • 计算方法 • 需注意的问题
3
2
2i12z1
4i12z1 1/2
1
0 3 i13 z1
4i15z1
i14 z1 -1
4
i14 z1
1/2
5
2i15z1
11
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弯矩分配法注意事项
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例题
G
（4.21）
D
（7.11）
q=2.8kN/m
（7.63） q=3.8kN/m
H
（4.21）
（9.53）
E
基本假定
①假定同层各节点转角相同； 承认节点转角的存在，但是为了计算的方便，假定同层各节点转角相同。 ②假定同层各节点的侧移相同。这一假定，实际上忽略了框架梁的轴向变形。这与实际结构差别不大。
优点： 1、计算步骤与反弯点法相同，计算简便实用。 2、计算精度比反弯点法高。 缺点： 1、忽略柱的轴向变形，随结构高度增大，误差增大。 2、非规则框架中使用效果不好。
点角位移 ，0 各节点只有侧移，同层各节点 水平位移相等； • 底层柱反弯点在距底端2/3h处，上层各柱反 弯点在柱高1/2处。
下端刚接上端铰接框架柱层侧移刚度k值计算
下端刚接上端铰接框架柱层侧移刚度k值计算下端刚接上端铰接框架柱层侧移刚度k值计算在结构力学中，刚度是指物体抵抗外力中变形的能力。
对于框架结构而言，刚度是一个重要的参数，用来评估结构在侧移加载下的抗侧移能力。
在本文中，我们将讨论下端刚接上端铰接框架柱层的侧移刚度k 值的计算方法。
1. 概念解析下端刚接上端铰接框架柱层是指在框架结构中，下部柱层的下端与上部柱层发生刚性连接，而柱层的上端则通过铰接与梁连接。
这种结构形式常见于高层建筑的设计中，其特点是具有较高的抗侧移能力和柱层的柔性。
2. k值的意义侧移刚度k值是衡量柱层侧向变形和力学性能的重要参数。
它反映了柱层对侧向荷载的抵抗能力，即柱层侧移对应的弯矩与侧移的比值。
k 值越大，表示柱层的抗侧移能力越强，结构更加稳定。
3. k值的计算方法下端刚接上端铰接框架柱层侧移刚度k值的计算方法可以通过以下步骤进行：3.1 确定截面特性参数需要确定柱层截面的特性参数，包括截面的尺寸和材料的弹性模量。
这些参数是计算k值的基础。
3.2 假设截面形态在计算过程中，需要假设柱层截面的形态。
常见的假设有矩形截面、圆形截面等，根据实际情况选择最合适的截面形态。
3.3 确定受力分布根据柱层所受荷载的情况，确定它的受力分布。
具体包括确定柱层顶端的剪力和弯矩分布。
3.4 计算侧移位移根据刚度定义，侧移刚度k值可以通过计算柱层的侧移位移来获得。
侧移位移是指柱层在荷载作用下沿侧向方向发生的位移。
3.5 计算弯矩根据柱层受力情况、截面形状和受力分布，可以计算出柱层中不同位置的弯矩大小。
3.6 计算k值根据计算得到的侧移位移和弯矩，可以计算出柱层的侧移刚度k值。
4. 个人观点和理解下端刚接上端铰接框架柱层的侧移刚度k值计算是框架结构设计中的重要问题。
通过计算k值，可以评估柱层抗侧移能力的好坏，为结构的稳定性分析和设计提供依据。
在实际工程中，准确计算k值对于结构的安全性和经济性至关重要。
需要考虑材料参数的准确性、受力分布的合理性以及计算方法的有效性等因素。
混凝土框架结构设计手算步骤
一．确定结构方案与结构布置1．结构选型是否选用框架结构应先进行比较。
根据何广乾的模糊评判法，砼结构8~18层首选框剪结构，住宅、旅馆则首选剪力墙。
对于不需要电梯的多层采用框架较多。
2．平面布置注意L,l,l’,B的关系。
3．竖向布置注意高宽比、最大高度（分A、B两大类，B类计算和构造有更严格的要求），力求规则，侧向刚度沿竖向均匀变化。
4．三缝的设置按规范要求设置，尽量做到免缝或三缝合一。
5．基础选型对于高层不宜选用独立基础。
但根据国勤兄的经验，对于小高层当地基承载力标准值300kpa以上时可以考虑用独基。
6．楼屋盖选型高层最好选用现浇楼盖1）梁板式最多的一种形式。
有时门厅，会议厅可布置成井式楼盖，其平面长宽比不宜大于1.5，井式梁间距为2.5~3.3m，且周边梁的刚度强度应加强。
采用扁梁高度宜为1/15~1/18跨度，宽度不超过柱宽50，最好不超过柱宽。
2）密肋梁方形柱网或接近方形，跨度大且梁高受限时常采用。
肋梁间距1~1.5m，肋高为跨度的1/30~1/20，肋宽150~200mm。
3）无梁楼盖地震区不宜单独使用，如使用应注意可靠的抗震措施，如增加剪力墙或支撑。
4）无粘结预应力现浇楼板一般跨度大于6m，板厚减薄降低层高，在高层中应用有一定技术经济优势。
在地震区应注意防止钢筋端头锚固失效。
5）其他二．初步确定梁柱截面尺寸及材料强度等级1．柱截面初定分抗震和非抗震两种情况。
对于非抗震，按照轴心受压初定截面。
对于抗震，Ac=N/(a*fc) N=B*F*Ge*n B=1.3（边柱），1.2（等跨中柱），1.25（不等跨中柱）Ge=12~15kN/m2 a为轴压比fc为砼抗压强度设计值F为每层从属面积n为层数。
框架柱上下截面高度不同时，每次缩小100~150为宜。
为方便尺寸标注修改，边柱一般以墙中心线为轴线收缩，中柱两边收缩。
柱截面与标号的变化宜错开。
2．梁截面初定梁高为跨度的1/8~1/14，梁宽通常为1/2~1/3梁高。
框架结构的内力和位移计算(精)
假定： （1）平面结构假定； （2）忽略柱的轴向变形； （3）D值法考虑了结点转角， 假定同层结点转角相等
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D 值法
计算方法 1、D值——修正抗侧刚度的计算 水平荷载作用下，框架不仅有侧移， 且各结点有转角，设杆端有相对位 移 ，转角 、 ，转角 1 2 位移方程为：
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反弯点法
2、剪力的计算 根据假定1：
V1 j d1 j j
Vij d ij j
Vij , d ij
——第j层第I根柱的剪力及其抗侧刚度
第j层总剪力
V pj
Vpj V1 j V2 j Vmj
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反弯点法
V1 j
第j层各柱剪力为
M ( z) N B
M(z)——上部水平荷载对坐标Z力矩总和 B——两边柱轴线间的距离
N
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柱轴向变形产生的侧移
N j
任意水平荷载下柱轴向变形产生的第j层处侧移 把框架连续化，根据单位荷载法：
2 ( NN / EA)dz
N j 0
Hj
N ( H j z) / B
框架结构的内力和位移计算荷载和设计要求51计算简图计算简图计算简图计算简图计算简图52竖向荷载作用下的近似计算方法分层法分层法分层法分层法力学知识回顾分层法计算过程构件弯矩图53水平荷载作用下内力近似计算方法反弯点法反弯点法弯点法反弯点法反弯点法反弯点法反弯点法反弯点法54水平荷载作用下内力近似计算方法d55水平荷载作用下侧移的近似计算梁柱刚度比k中柱
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计算简图
二、结构构件的截面抗弯刚度 考虑楼板的影响，框架梁的截面抗弯刚度应适当提高 现浇钢筋混凝土楼盖： 中框架：I＝2I0 边框架：I＝1.5I0 装配整体式钢筋混凝土楼盖： 截面形式选取： 框架梁跨中截面： 中框架：I＝1.5 I0 T型截面 边框架：I＝1.2 I0 框架梁支座截面： 装配式钢筋混凝土楼盖： 矩形截面 中框架：I＝I0 边框架：I＝I0 注：I0为矩形截面框架梁的截面惯性矩
框架—侧移计算例题上课讲义
侧移验算——剪切型变形计算
对第i层柱，其层间相 对侧移为：
uiM
Vi
m
Dij
j 1
i
对第i层柱顶的侧移为：uiM uk k 1
n
顶层柱顶的侧移为： unM uk k 1
侧移验算——弯曲型变形计算
建筑高度越大，宽度越小，则在水平荷载作用下由 轴向变形引起的侧移越大。对于高度不大于50m或高宽 比小于4的钢筋混凝土框架结构，柱轴向变形引起的顶 点位移在框架梁柱弯曲变形引起的顶点侧移的5%以内， 可以忽略不计。
(0.6)
(0.9)
3.3m
74kN
C
(1.7) G
(1.0)
K
(0.7)
(0.9)
B
80.7kN
(2.4) F
(0.6)
(0.8)
A
E
2.7m
(1.2)
8.1m
(0.9) 3.3m
J
(0.8) 3.9m
I
解：由于框架同层各柱 h 相等，可直接用杆件线刚度的相对值计算各柱的
分配系数。
DH
M
（1）求各柱剪力分配系数：
侧移验算—— 侧移值要求
高度不大于150m的框架结构在正常使用条件下的变 形验算要求各层的层间侧移值与该层层高之比不宜超过 1/550的限值，即:
ui hi 1 550
详情请参阅《高规》。
用反弯点法求下图框架的弯矩图。图中括号内的数值为该杆
的线刚度比值。
37kN D
H
(1.5)
M (0.8)
(0.7)
)
1.0 1.7 1.0
30.56kN
M GC
(M GH
3 重力荷载代表值计算及框架侧移刚度计算
3 重力荷载代表值计算及框架侧移刚度计算楼层重力荷载代表值=全部的恒载+50%的楼面活荷载屋面重力荷载代表值=全部的恒载+50%的屋面雪荷载3.1 恒载标准值计算3.1.1 屋面楼面恒载计算屋面永久荷载标准值（上人）：C细石混凝土 1.0 kN/m2 40厚201.2厚高分子卷材 0.15 kN/m225厚1：3水泥砂浆 20×0.025=0.5k N/m2 90厚水泥珍珠岩板2×0.09=0.18kN/m2最薄处15厚水泥焦渣 13×0.015=1.95kN/m2 120厚钢筋混凝土板25×0.12=3kN/m2合计 6.797kN/m2屋面永久荷载标准值（不上人）：20厚水泥砂浆 20×0.02=0.4 kN/m21.2厚合成高分子防水卷材 0.15 kN/m225厚水泥砂浆 20×0.025=0.5k N/m2 65厚聚苯乙烯保温板 0.2×0.065=0.013kN/m2最薄处15厚1：6水泥焦渣 13×0.015=1.95kN/m2 120厚钢筋混凝土板25×0.12=3kN/m2合计 6.183kN/m2楼面永久荷载标准值：普通楼面8厚瓷面砖19.8×0.008=0.16kN/m2 30厚1:3水泥砂浆20×0.03=0.6kN/m2 30厚聚苯乙烯泡沫板保温层0.2×0.03=0.006kN/m2 10厚1：3水泥砂浆 20×0.01=0.2kN/m2 120厚钢筋混凝土板25×0.12=3kN/m2合计 4.136kN/m2卫生间楼面8厚瓷面砖19.8×0.008=0.16kN/m2 50厚1:3水泥砂浆20×0.05=1kN/m21.5厚合成高分子 0.15kN/m2100厚钢筋混凝土板25×0.1=2.5kN/m2 10厚水泥石灰膏砂浆0.01×17=0.17kN/m2 合计 3.98 kN/m2一层地面永久荷载标准值： 普通楼面8厚地砖地面 19.8×0.008=0.16kN/m 25厚石灰砂浆 20×0.005=0.1kN/m 2 20厚1:3水泥砂浆 20×0.02=0.4kN/m2 60厚混土垫层 25×0.06=1.5kN/m 23：7灰土 17.5×0.15=2.625kN/m 2合 计 4.695kN/m 2 卫生间地面8厚地砖 0.008×19.8=0.16kN/m 2 30厚1:3水泥砂浆 20×0.03=0.6kN/m 2 1.5厚合成高分子 0.15kN/m 2 1：3水泥砂浆最薄处20厚 20×0.02=0.4kN/m 2 10厚水泥石灰膏砂浆 0.01×17=0.17kN/m 2合 计 2.81kN/m23.1.2 第一层结构构件自重计算取基础埋深为2.5m ，基础高为1m ，则一层柱高为1 3.6 2.5 1.00.45 5.55h m =+-+=，故取一层柱高为1h 5.6m =表3-1 梁、柱自重墙体为填充墙，材料为蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，电梯间填充墙为普通砖墙318KN /m ，外墙厚300mm ，内墙厚为200mm 。
水平作用下框架结构侧移计算
一、横向水平地震作用下框架结构侧移验算1.横向框架梁的线刚度在框架结构中，现浇楼面可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效线刚度，减小框架侧移。
为考虑这一有利作用， ，在计算梁的截面惯性矩时，对现浇楼面的边框架梁取 I b1.5I 0 〔 I 0 为梁的截面惯性矩〕；对中框架梁取 I b2.0I 0 ，计算结果如下表所示：边框架梁中框架梁梁截面尺寸矩形截面惯性矩 混 凝E c〔 b/mm ×跨度 l/m土 强i b EI b / li b EI b / l /I 0 / ×103 m4I b1.5I 0I b 2.0I 0h/mm 〕度 等/ KN m2/×104KN m×104KN m级3 4/×103 4/×10mmAB 跨 300×600C3030×106横梁BC 跨 300×600C3030×106横梁AC 跨 300×600C30 30×106横梁CD 跨 300×450C3030×106横梁DE 跨 300×600C3030×106横梁2.柱的侧移刚度〔 D 值法〕柱线刚度计算结果如下表：混凝土强 截面尺寸2截面惯性矩线刚度 i c EI c / h柱号度等级〔a/mm × b/mm 〕柱高 h/mEc/KN mIc / ×103 m 4/ ×104 KN mZ 1C30 700×70030×106Z 2C30 ×6550 55030×10：楼层横向框架柱侧移刚度〔 D 值〕计算如下表所示：Ki b K(一般层 )(一般层 )2i c K12柱类型Dic h 2根数i b/ 104KN / mK K(底层 )2(底层 )i c K一层其他层边框架边柱边框架中柱中框架边柱中框架中柱D边框架边柱边框架中柱中框架边柱中框架中柱DA 轴2E 轴2C 轴2D 轴2A 轴2B 轴4E 轴6B 轴2C 轴6D 轴6653520KN/mA 轴2E 轴2C 轴2D 轴2A 轴2B 轴4E 轴6B 轴2C 轴6D 轴6794540KN/m3.横向框架自振周期结构自振周期按顶点位移法计算，将各楼层面处的重力荷载代表值G i作为水平荷载作用在各楼层标高处，按弹性方法求得结构顶点的假想侧移，并考虑填充墙对框架的影响取折减系数r，计算结果如下表结构顶点的假想侧移G/KN nG i/KND i / KN m 1i / mm i / mm楼层V Gii 16999099907945405114582144879454041145832906794540311458443647945402114585582279454011241563237653520T1T T4.横向水平地震作用及楼层地震剪力计算本结构重量和刚度沿高度方向分布比拟均匀，高度不超过40m，变形以剪切变形为主，故水平地震作用采用底部剪力法计算。
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梁柱线刚 节点转动 度比 影响系数 1.90 0.49 1.90 0.49 1.90 0.49 1.90 0.49 1.75 0.47 1.08 0.51
D
1.3852E+0 1.3852E+0 1.3852E+0 1.3852E+0 1.4391E+0 1.1423E+0
柱编号
1 1 1 1 1 1
层次
E
6 3.00E+07
5 3.00E+07
4 3.00E+07
3 3.00E+07
2 3.25E+07 1 3.25E+07
b(m) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5
层次
E
6 3.00E+07 5 3.00E+07 4 3.00E+07 3 3.00E+07 2 3.25E+07 1 3.25E+07
横向框架顶点位移计算
Gi（KN） ∑Gi(KN）
Di
7200
7200
798315
7200
14400
798315
7200
21600
798315
7200
28800
798315
7200
36000
836720
7200
43200
627006
△(m) 0.0090 0.0180 0.0271 0.0361 0.0430 0.0689
层次
6 5 4 3 2 1
弹性层间变形验算
层间剪力 Vi(KN)
层间刚度Di
层间侧移△ （m）
层间相对 层高hi(m) 弹性转角
的倒数
1309.29
798315
0.00164
3
1829
2417.14
798315
0.00303
3
991
3323.57 4028.57
798315 798315
0.00416 0.00505
D
1.4790E+0 1.4790E+0 1.4790E+0 1.4790E+0 1.5406E+0 1.1935E+0
柱编号
6 6 6 6 6 6
各层D值汇总
柱
根数
6层
5层
4层
3层
2层
1层
1
2
27703
27703
27703
27703 28782 22846
2
2
36289
36289
36289
36289 38161 27856
梁柱线刚 节点转动 度比 影响系数
3.52 0.64
3.52 0.64
3.52 0.64
3.52 0.64
3.25 2.00
0.62 0.62
D
1.8144E+0 4
1.8144E+0 4
1.8144E+0 4
1.8144E+0 4
1.9081E+0 4
1.3928E+0
柱编号 2 2 2 2 2 2
4834.28
顶部附加地震作用系数
顶部附加地震作用
0.0000
0.00
层次
hi
6
3
5
3
4
3
3
3
2
3
1
4.5
∑
Hi
19.5 16.5 13.5 10.5 7.5 4.5
各层地震作用及楼层地震剪力
Gi
GiHi
GiHi/∑ GiHi
7200
140400 0.2708
7200
118800 0.2292
7200
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁1+1
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁1+1
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁1+1
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁1+1
0.4
3 2.13E-03 2.31E+04 梁1+1
0.5
4.5 5.21E-03 3.76E+04 梁1
8.32E-03 3.00E+07 4.62E+04
层次
E
6 3.00E+07 5 3.00E+07 4 3.00E+07 3 3.00E+07 2 3.25E+07 1 3.25E+07
b(m)
0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5
柱的侧移刚度计算(边框架边柱A轴)
h(m)
层高（m）
Ic Kc(KN*m) 梁柱关系
0.4
3
2.13E-03
2.13E+04
梁 1+2+1+2
0.4
3
2.13E-03
2.13E+04
梁 1+2+1+2
0.4
3
2.13E-03
2.13E+04
梁 1+2+1+2
0.4
3
2.13E-03
2.13E+04
梁 1+2+1+2
0.4
3
2.13E-03
2.31E+04
梁 1+2+1+2
0.5
4.5 5.21E-03 3.76E+04 梁1+2
(中框架边柱A轴)
h(m)
层高（m）
Ic Kc(KN*m) 梁柱关系
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁3+3
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁3+3
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁3+3
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁3+3
0.4
3
2.13E-03
2.13E+04
梁 3+4+3+4
0.4
3
2.13E-03
2.31E+04
梁 3+4+3+4
0.5
4.5 5.21E-03 3.76E+04 梁3+4
梁柱线刚 节点转动 度比 影响系数
4.70 0.70
4.70 0.70
4.70 0.70
4.70 0.70
4.34 2.66
0.68 0.68
3
721
3
594
4532.14 4834.28
836720 627006
0.00542 0.00771
3
554
4.5
584
D
1.9951E+0 4
1.9951E+0 4
1.9951E+0 4
1.9951E+0 4
2.1088E+0 4
1.5122E+0
柱编号 5 5 5 5 5 5
柱的侧移刚度计算(中框架边柱C轴)
h(m)
层高（m）
Ic Kc(KN*m) 梁柱关系
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁4+4
0.4
97200 0.1875
7200
75600 0.1458
7200
54000 0.1042
7200
32400 0.0625
518400
Fi △Fn
1309.29 1107.86 906.43 705.00 503.57 302.14 4834.28
0.00
Vi(KN)
1309.29 2417.14 3323.57 4028.57 4532.14 4834.28
柱的侧移刚度计算(边框架边柱C轴)
h(m)
层高（m）
Ic Kc(KN*m) 梁柱关系
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁2+2
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁2+2
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁2+2
0.4
3 2.13E-03 2.13E+04 梁2+2
∑
48
798315
798315
798315 798315 836720 627006
侧向刚度不规则判断
层次
D
与相邻上层 刚度比
6
798315
5
798315 100.00%
4
798315 100.00%
3
798315 100.00%
2
836720 104.81%
1
627006 74.94%
层次 6 5 4 3 2 1
0.4
0.4
0.5
0.5
3 3.00E+07 3 3.00E+07 3 3.00E+07 3 3.00E+07 3 3.25E+07 4.5 3.25E+07
断面(m)
b
h
跨度l(m)
矩形截面惯性 矩 I0（m^4）
0.3
0.6
0.3
0.55
6 5.40E-03 5.4 4.16E-03