設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法(框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下內(nèi)力計(jì)算方法)
1.框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下內(nèi)力計(jì)算方法有哪些
框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算可近似地采用分層法。
在進(jìn)行豎向荷載作用下的內(nèi)力分析時(shí)，可假定：
(1)作用在某一層框架梁上的豎向荷載對(duì)其他樓層的框架梁的影響不計(jì)，而僅在本樓層的框架梁以及與本層框架梁相連的框架柱產(chǎn)生彎矩和剪力。
(2)在豎向荷載作用下，不考慮框架的側(cè)移。
計(jì)算過(guò)程可如下：
(1)分層：分層框架柱子的上下端均假定為固定端支承，
(2)計(jì)算各個(gè)獨(dú)立剛架單元：用彎矩分配法或迭代法進(jìn)行計(jì)算各個(gè)獨(dú)立剛架單元。。而分層計(jì)算所得的各層梁的內(nèi)力，即為原框架結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層次的梁的內(nèi)力。
(3)疊加：在求得各獨(dú)立剛架中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以后，則可將相鄰兩個(gè)獨(dú)立剛架中同層同柱號(hào)的柱內(nèi)力疊加，作為原框架結(jié)構(gòu)中柱的內(nèi)力。
疊加后為原框架的近似彎距圖，由于框架柱節(jié)點(diǎn)處的彎矩為柱上下兩層之和因此疊加后的彎距圖，在框架節(jié)點(diǎn)處常常不平衡。這是由于分層計(jì)算單元與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符所帶來(lái)的誤差。若欲提高精度，可對(duì)節(jié)點(diǎn)，特別是邊節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩再作一次分配，予以修正。
2.平面框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法中,豎向荷載作用下的分層法需要作哪
◎框架結(jié)構(gòu)按承重體系分為哪幾類？說(shuō)明優(yōu)缺點(diǎn)。
?（1） 橫向框架承重方案：優(yōu)點(diǎn)：橫向框架數(shù)較少有利于增加房屋橫向抗側(cè)移剛度；縱向連系梁截面尺寸較小，有利于建筑的通風(fēng)采光。缺點(diǎn)：主梁截面尺寸較大，使結(jié)構(gòu)層高增加。
（2）縱向框架承重方案：優(yōu)點(diǎn)：適用于大空間房屋，凈空高度較大，房屋布置靈活。缺點(diǎn)：進(jìn)深尺寸受到板長(zhǎng)度的限制，同時(shí)房屋的橫向剛度較小。
（3）縱橫向框架混合承重方案：優(yōu)點(diǎn)：各桿件受力較均勻，整體性能較好。 ◎框架體系的優(yōu)點(diǎn)是什么？說(shuō)明它的應(yīng)用范圍。
?框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)是：整體性和抗震性均好于混合結(jié)構(gòu)，平面布置靈活，可提供較大的使用空間，也可形成豐富多變的立面造型。適用范圍：工業(yè)廠房及公共建筑中廣泛使用。
◎框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟是什么？ ?（1）結(jié)構(gòu)平面布置；（2）柱網(wǎng)和層高的確定；（3）承重方案的確定；（4）荷載計(jì)算；（5）內(nèi)力、位移計(jì)算；（6）配筋計(jì)算；（7）鋼筋選擇；（8）繪制結(jié)構(gòu)施工圖。 ◎怎樣確定柱網(wǎng)尺寸？ ?框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)應(yīng)滿足房屋使用要求，同時(shí)構(gòu)件的規(guī)格、類型要少，柱網(wǎng)間距一般不宜小于3.6m，也不宜大于6.0m，柱網(wǎng)跨度根據(jù)使用要求不同，有2.4m、2.7m、3.0m、5.8m、7.5m、8.0m、12.0m等。
◎怎樣確定框架梁、柱截面尺寸？ ?框架梁的截面尺寸，（1）應(yīng)滿足剛度要求（2）滿足構(gòu)造要求（3）滿足承載力要求。 框架柱的截面尺寸，（1）應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求（2）滿足構(gòu)造要求（3）滿足承載力要求。
◎怎樣計(jì)算水平荷載作用下框架的內(nèi)力和側(cè)移？ ?水平荷載作用下框架內(nèi)力的計(jì)算方法用反彎點(diǎn)法和D值法。具體計(jì)算步驟是：反彎點(diǎn)位置的確定；柱的側(cè)移剛度的確定；各柱剪力的分配；柱端彎矩的計(jì)算；梁端彎矩的計(jì)算；梁的剪力的計(jì)算。
水平荷載作用下的側(cè)移的計(jì)算：可認(rèn)為是由梁柱彎曲變形引起的側(cè)移和柱軸向變形的疊加。 ◎修正反彎點(diǎn)法（D值法）計(jì)算要點(diǎn)是什么？ ?修正反彎點(diǎn)法（D值法）的計(jì)算要點(diǎn)是：1）修正柱的抗側(cè)移剛度；2）修正反彎點(diǎn)剛度；3）柱的剪力分配；4）柱端彎矩計(jì)算；5）梁端彎矩的計(jì)算；6）梁的剪力的計(jì)算。
◎怎樣計(jì)算在重力荷載下的框架內(nèi)力？ ?重力荷載作用下框架內(nèi)力計(jì)算：重力荷載屬于豎向荷載，將多層框架分層，以每層梁與上下柱組成的當(dāng)成框架作為計(jì)算單元，按無(wú)側(cè)移框架計(jì)算，一般采用彎矩分配法或迭代法。 ◎彎矩二次分配法的計(jì)算要點(diǎn)是什么？ ?彎矩二次分配法：1）求固端彎矩；2）求分配系數(shù)、傳遞系數(shù)；3）進(jìn)行兩次彎矩的分配與傳遞；4）求梁端彎矩。
◎什么是梁、柱的控制截面，怎樣確定控制截面的內(nèi)力不利組合？ ?梁的控制截面在跨中附近（正彎矩最大截面）和梁與柱相交處（負(fù)彎矩最大截面）。 柱的控制截面在梁底部（柱的上端）和長(zhǎng)腸拜段之燈瓣犬抱華梁頂部（柱的下端），即軸向壓力最大截面。
控制截面內(nèi)力不利組合：豎向荷載的布置方法有逐跨施荷組合法；最不利荷載位置法；滿布荷載法。不同的布置會(huì)產(chǎn)生不同的內(nèi)力，由最不利布置方式確定內(nèi)力。
水平荷載（風(fēng)荷載和地震荷載）的布置方法：在矩形平面結(jié)構(gòu)中，正負(fù)兩方向作用荷載下內(nèi)力大小相等，符號(hào)相反，所以只需作一次計(jì)算，將內(nèi)力加上正、負(fù)號(hào)即可。 ◎簡(jiǎn)述什么是單向板？其受力與配筋構(gòu)造特點(diǎn)是什么？ ?單向板：是指板的長(zhǎng)邊與短邊的比值大于3的情況。
受力特點(diǎn)是板上的荷載主要沿短邊方向傳遞，而長(zhǎng)邊方向傳遞的荷載很少，可以忽略不計(jì)。配筋構(gòu)造特點(diǎn)：板中受力鋼筋的配筋方式有彎起式和分離式。
受力鋼筋一般采用HPB235級(jí)，直徑常用6mm,8mm,10mm，間距應(yīng)滿足構(gòu)造要求。構(gòu)造鋼筋有分布鋼筋、板頂部附加鋼筋等。
◎什么是雙向板？試述其受力與配筋構(gòu)造特點(diǎn)是什么？ ?雙向板：是指板的長(zhǎng)邊與短邊的比值小于等于2的情況。受力特點(diǎn)是板上的荷載沿短邊和長(zhǎng)邊方向傳遞。
配筋構(gòu)造特點(diǎn)是：板的受力鋼筋沿兩個(gè)方向分別布置，鋼筋配置方式有彎起式和分離式。板頂部沿兩個(gè)方向應(yīng)設(shè)置附加鋼筋。
◎板式樓梯與梁板式樓梯有何區(qū)別？你設(shè)計(jì)的建筑屬于哪種類型的樓梯？ ?板式樓梯：是一塊斜放的板，板的兩端支撐在平臺(tái)梁上。板式樓梯的梯段按斜梁進(jìn)行配筋計(jì)算；斜板較厚，當(dāng)跨度較大時(shí)，材料用量較多，板式樓梯外觀完整，輕巧美觀。
梁式樓梯：在樓梯斜板側(cè)面設(shè)置斜梁，踏步板支撐在斜梁上，斜梁再支撐在平臺(tái)梁上。梯段較長(zhǎng)時(shí)，較為經(jīng)濟(jì)，但是施工復(fù)雜，外觀顯得笨重。
◎板式樓梯與梁板式樓梯的踏步板的計(jì)算與構(gòu)造有何不同？ ?板式樓梯的踏步板按簡(jiǎn)支斜板計(jì)算。其構(gòu)造斜板上部應(yīng)配置適量鋼筋，為彎起式配筋，跨中鋼筋應(yīng)在距支座邊緣四分之一凈跨處彎起。
也可為分離式配筋。踏步板中分布鋼筋應(yīng)在受力鋼筋的內(nèi)側(cè)，一般應(yīng)在每踏步下設(shè)置一根。
梁式樓梯踏步板計(jì)算為兩端斜支在斜梁上的單向板，踏步的高度由構(gòu)造確定。踏步板的計(jì)算為特殊的梯形截面，一般在豎向切除一個(gè)踏步，按豎向簡(jiǎn)支計(jì)算。
踏步板的配筋按計(jì)算確定，且每一級(jí)踏步受力鋼筋不少于2φ6，沿梯段寬度應(yīng)布置間距不大于300mm的φ6分布鋼筋。 ◎少筋梁、適筋梁和超筋梁的破壞特征是什么？在設(shè)計(jì)中如何防止少筋梁和超筋。
3.結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)構(gòu)計(jì)算方式
1.完成整體參數(shù)的正確設(shè)定計(jì)算開始以前，設(shè)計(jì)人員首先要根據(jù)新規(guī)范的具體規(guī)定和軟件手冊(cè)對(duì)參數(shù)意義的描述，以及工程的實(shí)際情況，對(duì)軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進(jìn)行正確設(shè)置。
但有幾個(gè)參數(shù)是關(guān)系到整體計(jì)算結(jié)果的，必須首先確定其合理取值，才能保證后續(xù)計(jì)算結(jié)果的正確性。這些參數(shù)包括振型組合數(shù)、最大地震力作用方向和結(jié)構(gòu)基本周期等，在計(jì)算前很難估計(jì)，需要經(jīng)過(guò)試算才能得到。
（1）振型組合數(shù)是軟件在做抗震計(jì)算時(shí)考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計(jì)算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還可能使計(jì)算結(jié)果發(fā)生畸變。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.13-2條規(guī)定，抗震計(jì)算時(shí)，宜考慮平扭藕聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不宜小于15，對(duì)多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。一般而言，振型數(shù)的多少于結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)自由度有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)層剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)應(yīng)當(dāng)取得多些，如有彈性節(jié)點(diǎn)、多塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式。
振型組合數(shù)是否取值合理，可以看軟件計(jì)算書中的x,y向的有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9.具體操作是，首先根據(jù)工程實(shí)際情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個(gè)振型數(shù)計(jì)算后考察有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型個(gè)數(shù)，直到x,y兩個(gè)方向的有效質(zhì)量系數(shù)都大于0.9為止。必須指出的是，結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并不是越大越好，其最大值不能超過(guò)結(jié)構(gòu)得總自由度數(shù)。
例如對(duì)采用剛性板假定得單塔結(jié)構(gòu)，考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)作用時(shí)，其振型不得超過(guò)結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍。如果選取的振型組合數(shù)已經(jīng)增加到結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍，其有效質(zhì)量系數(shù)仍不能滿足要求，也不能再增加振型數(shù)，而應(yīng)認(rèn)真分析原因，考慮結(jié)構(gòu)方案是否合理。
（2）最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結(jié)構(gòu)地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值最大的最不利地震作用方向。設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)計(jì)算出最大地震力作用方向并在計(jì)算書中輸出，設(shè)計(jì)人員如發(fā)祥該角度絕對(duì)值大于15度，應(yīng)將該數(shù)值回填到軟件的“水平力與整體坐標(biāo)夾角”選項(xiàng)里并重新計(jì)算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。
（3）結(jié)構(gòu)基本周期是計(jì)算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員如果不能事先知道其準(zhǔn)確值，可以保留軟件的缺省值，待計(jì)算后從計(jì)算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項(xiàng)，重新計(jì)算即可。
上述的計(jì)算目的是將這些對(duì)全局有控制作用的整體參數(shù)先行計(jì)算出來(lái)，正確設(shè)置，否則其后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別很大。 2.確定整體結(jié)構(gòu)的合理性整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性是新規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)內(nèi)容。
新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。（1）周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。
它的目的是使抗側(cè)力的構(gòu)件的平面布置更有效更合理，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，周期比不是要求就構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。
《高規(guī)》第4.3.5條對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比的要求給出了規(guī)定。如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)人員需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。
設(shè)計(jì)軟件通常不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算書中周期值自行判定第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期。以下介紹實(shí)用周期比計(jì)算方法：1）扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期的判斷：從計(jì)算書中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5的平動(dòng)周期，按周期值從大到小排列。
同理，將所有平動(dòng)系數(shù)大于0.5的平動(dòng)周期值從大到小排列；2）第一周期的判斷：從列隊(duì)中選出數(shù)值最大的扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期，查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動(dòng)簡(jiǎn)圖”，看該周期值所對(duì)應(yīng)的振型的空間振動(dòng)是否為整體振動(dòng)，如果其僅僅引起局部振動(dòng)，則不能作為第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期，要從隊(duì)列中取出下一個(gè)周期進(jìn)行考察，以此類推，直到選出不僅周期值較大而且其對(duì)應(yīng)的振型為結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的值即為第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期；3）周期比計(jì)算：將第一扭轉(zhuǎn)周期值除以第一平動(dòng)周期即可。（2）位移比（層間位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。
其限值在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高規(guī)》中均有明確的規(guī)定，不再贅述。需要指出的是，新規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定了彈性板，則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時(shí)選擇“對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”，以便計(jì)算出正確的位移比。
在位移比滿足要求后，再去掉“對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定的選擇，以彈性樓板設(shè)定進(jìn)行后續(xù)配筋計(jì)算。
4.框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力組合怎么算
多層框架是高次超靜定結(jié)構(gòu)，如果按精確方法用手工計(jì)算它的內(nèi)力和位移是十分困難的，甚至是不可能的。因此，目前在工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中，通常采用近似的分析方法。下而將介紹幾種常用的近似解法，即在水平荷載下的反彎點(diǎn)法和D值法，以及在豎向荷載下的彎矩二次分配法。
一、在水平荷載作用下框架內(nèi)力和位移的計(jì)算
內(nèi)力計(jì)算
1.反彎點(diǎn)法
框袈在水平荷載作用下，節(jié)點(diǎn)將同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角和側(cè)移。根據(jù)分析，當(dāng)梁的線剛度 和柱的線剛度 之比大于3時(shí)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角θ將很小，它對(duì)框架的內(nèi)力影響不大。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常把它忽略不計(jì)，即假定θ=0。實(shí)際上，這就等于把框架橫梁簡(jiǎn)化成線剛度kb=∞的剛性梁。這樣處理，可使計(jì)算大為簡(jiǎn)化，而其誤差一般不超過(guò)5%。
采用上述假定后，在柱的1/2高度處截面彎矩為零。柱的彈性曲線在該處改變凹凸方向，故此處稱為反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)距柱底的距離稱為反彎點(diǎn)高度。
柱的反彎點(diǎn)確定后，如果再求得柱的剪力后，即可繪出框架的彎矩圖。
2.改進(jìn)反彎點(diǎn)法——D值法
上述反彎點(diǎn)法只適用于梁柱線剛度比大于3的情形。如不滿足這個(gè)條件，柱的側(cè)移剛度和反彎點(diǎn)位置，都將隨框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角人小而改變。這時(shí)，再采用反彎點(diǎn)法求框架內(nèi)力，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。
下面介紹改進(jìn)的反彎點(diǎn)法。這個(gè)方法近似地考慮了框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)柱的側(cè)移剛度和反彎點(diǎn)高度的影響。改進(jìn)的反彎點(diǎn)法是目前分析框架內(nèi)力比較簡(jiǎn)單、而又比較精確的一種近似方法。因此，住工程中廣泛采用。
改進(jìn)反彎點(diǎn)法求得柱的側(cè)移剛度，工程上用D表示，故改進(jìn)反彎點(diǎn)法又稱"D值法"。
5.框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下內(nèi)力計(jì)算方法有哪些
框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算可近似地采用分層法。
在進(jìn)行豎向荷載作用下的內(nèi)力分析時(shí)，可假定： （1）作用在某一層框架梁上的豎向荷載對(duì)其他樓層的框架梁的影響不計(jì)，而僅在本樓層的框架梁以及與本層框架梁相連的框架柱產(chǎn)生彎矩和剪力。 （2）在豎向荷載作用下，不考慮框架的側(cè)移。
計(jì)算過(guò)程可如下： （1）分層：分層框架柱子的上下端均假定為固定端支承， （2）計(jì)算各個(gè)獨(dú)立剛架單元：用彎矩分配法或迭代法進(jìn)行計(jì)算各個(gè)獨(dú)立剛架單元。
而分層計(jì)算所得的各層梁的內(nèi)力，即為原框架結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層次的梁的內(nèi)力。 （3）疊加：在求得各獨(dú)立剛架中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以后，則可將相鄰兩個(gè)獨(dú)立剛架中同層同柱號(hào)的柱內(nèi)力疊加，作為原框架結(jié)構(gòu)中柱的內(nèi)力。
疊加后為原框架的近似彎距圖，由于框架柱節(jié)點(diǎn)處的彎矩為柱上下兩層之和因此疊加后的彎距圖，在框架節(jié)點(diǎn)處常常不平衡。這是由于分層計(jì)算單元與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符所帶來(lái)的誤差。
若欲提高精度，可對(duì)節(jié)點(diǎn)，特別是邊節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩再作一次分配，予以修正。
