第七章竖向荷载作用下框架内力计算

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。

风荷载作用下框架内力计算：框架在风荷载作用下的内力计算采用D 值法。

计算时首先将框架各楼层的层间总剪力Vj ，按各柱的侧移刚度值（D 值）在该层总侧移刚度所占比例分配到各柱，即可求得第j 层第i 柱的层间剪力Vij ；根据求得的各柱层间剪力Vij 和修正后的反弯点位置Y ，即可确定柱端弯矩Mc 上和Mc 下；由节点平衡条件，梁端弯矩之和等于柱端弯矩之和，将节点左右梁端弯矩之和按线刚度比例分配，可求出各梁端弯矩；进而由梁的平衡条件求出梁端剪力；最后，第j 层第i 柱的轴力即为其上各层节点左右梁端剪力代数和。

（1）一榀框架上风荷载的作用计算：前面已经算出风荷载作用下的一榀框架下每层楼的剪力，但是还要计算出一品框架下每根柱子分得的剪力Vi DijDijVij sj ∑==1,具体的计算结果见下表:（2）风荷载作用下反弯点高度的计算:反弯点高度比即: V=V0+V1+V2+V3式中:V0 ——标准层反弯点高度比；注：本框架风荷载采用分段式均布荷载，故可查《高层建筑结构设计》表5.8a。

V1 ——因上、下层梁刚度比变化的修正值，查《高层建筑结构设计》表5.9；V2 ——因上层层高变化的修正值，查《高层建筑结构设计》表5.10；V3 ——因下层层高变化的修正值，查《高层建筑结构设计》表5.10。

具体计算结果见下表：（3）计算各柱端、梁端弯矩:①柱端弯矩计算：柱上下端弯矩按式：M u = V (1 - y)h，M d = Vyh计算；②梁端弯矩计算：梁端弯矩按式M = i b / ∑ i b ⨯ (M u + M d )具体结果如下：（4）计算各梁端剪力:计算方法：以梁为隔离体根据力矩平衡可得到梁端剪力。

具体计算结果如下表：注：单位为KN（5）计算各柱轴力:计算方法：已知梁的剪力，由上到下利用节点的竖向力平衡条件，即可得到柱的轴力，计算方法同恒。

（6）风荷载作用下的内力图绘制:风载作用下的梁端、柱端弯矩，梁端柱端剪力，柱的轴力计算完毕，恒载作用下的标准值如下几图所示：手算风荷载作用下柱端弯矩图手算风荷载作用下两端弯矩图与电算内力图的比较：电算风荷载作用下柱端弯矩图电算风荷载作用下两端弯矩图误差分析：风荷载作用下梁柱剪力图的绘制与误差分析：手算风荷载作用下的梁柱剪力图电算风荷载作用下的梁柱剪力图误差分析：风荷载作用下柱轴力图的绘制与误差分析：手算风荷载作用下的柱轴力图电算风荷载作用下的柱轴力图误差分析：水平地震作用下框架内力计算：框架在水平地震荷载作用下的内力计算采用D值法。

竖向荷载计算3.1竖向荷载计算总说明框架剪力墙结构是由两种变形性质不同的抗侧力单元框架和剪力墙通过楼板协调变形而共同抵抗竖向荷载及水平荷载的结构。

在竖向荷载作用下，按各自的承载面积计算每榀框架和每榀剪力墙的竖向荷载，分别计算内力。

在每榀结构中：剪力墙：计算其墙肢轴力和弯矩。

在本结构中，弯矩主要有墙肢两边端柱上不对称的集中力和墙柱间连梁的端弯矩引起。

框架：计算其梁及柱的弯矩、剪力和轴力。

框架在竖向荷载下采用分层力矩分配法。

在分层力矩分配法中，注意：①梁柱线刚度修正：梁截面惯性矩在梁一侧有楼板时乘以1.5，两侧有楼板时乘以2.0；除底层柱外，上层各柱线刚度乘以0.9的修正系数。

②梁柱弯矩分配系数和传递系数按修正后的刚度计算各节点周围杆件的杆端分配系数；所有上层柱的弯矩传递系数取1/3，底层柱的传递系数取1/2。

本办公楼中，所有楼板均为双向板。

双向板传给支承梁的荷载，可用下述近似方法计算：从板的四角作45o线将每一区格分为四块，每块面积内的荷载传与其相邻的支承梁。

因此，长边梁承受梯形分布荷载，短边梁承受三角形分布荷载。

由上可以得到导荷图，如下图3.1.1：图3.1.1 楼屋面导荷图承受三角形或梯形分布荷载的梁，其内力计算可利用固端弯矩相等的条件将其换算为等效均布荷载，换算公式如下：三角形荷载（图3.1.2）作用时：梯形荷载（图3.1.3）作用时：图3.1.2 三角形荷载的等效均布荷载图3.1.3 梯形荷载的等效均布荷载3.2荷载退化通过分析该结构，将所有板和次梁上的竖向荷载传递至主体结构上，形成主体结构在竖向荷载作用下的计算简图，同时考虑横向和纵向两个方向的荷载退化。

主体结构平面图如下图3.2.1：图3.2.1 主体结构平面图在本计算书中：不考虑电梯机房的竖向和水平荷载；将楼梯开间的竖向荷载近似为整块板计算；在计算内力时，近似将2、4、7、10、12、C轴（即所有次梁所在的轴）上的次梁假定为两端铰接。

在竖向荷载作用下框架结构内力计算的独立
柱法
独立柱法（Independent column method）是一种用于计算框架结
构内力的方法。

该方法假定每个柱子自行承担着水平力和垂直力，而
不会在柱与梁交接处转移或者共同承担力。

这种假设是为了简化计算、降低复杂度，以及实现直观清晰的用图。

在竖向荷载作用下，独立柱法的基本流程如下：
1. 选择独立柱：首先，需要找到框架结构中具有独立性的柱子。

这些柱子不会受到其他柱子影响，而是自行承担全部荷载。

一般而言，独立柱一般位于框架结构的边缘或角落处。

2. 画高度分块图：将框架结构按水平方向分成若干段，并在每段
上标注高度分块图。

高度分块图指的是每段内荷载分别作用的高度分
布情况。

3. 分别计算每段内的内力：对于每个高度分块，需要按照作用在
该块上的荷载大小和作用位置，结合高度分块的边界条件计算出该段
内的各个柱子和梁的内力。

4. 检查结构的均衡性：根据计算结果，检查整个框架结构是否处
于静态均衡状态，即荷载是否平衡、荷载反力大小是否与荷载大小等
比例，以及结构中每个柱子和梁是否都满足受力平衡。

5. 进行调整和修正：如有必要，可通过对独立柱、高度分块等参
数进行调整和修正，重新计算内力直到满足均衡条件。

总之，独立柱法是一种通过分析框架结构内各部分的受力情况，
来计算出结构整体受力状态的方法。

虽然存在简化和理论假设的缺陷，但该方法依然具有较高的实用价值。

4_竖向荷载作用下框架内力计算在结构设计过程中，框架结构是一种常见的结构形式。

在实际工程中，框架结构会受到各种荷载的作用。

竖向荷载是一种重要的荷载形式，常见的竖向荷载包括自重、活荷载和附加荷载等。

在框架结构内力计算中，需要首先确定结构的几何特征，包括框架的截面形状、材料参数和受力情况等。

然后根据几何特征和力学原理，分析结构的受力平衡和变形情况，最终得到内力的计算结果。

下面将以一个简单的框架结构为例，介绍竖向荷载作用下框架内力计算的基本步骤。

1.框架结构的受力分析首先，需要绘制框架的受力图。

在竖向荷载作用下，框架的受力主要包括竖向荷载的作用力、支座反力和框架内部的轴力、剪力和弯矩等。

通过受力分析，可以将框架结构简化为若干个矩形梁和柱，以便进行进一步的计算。

2.框架结构的力学模型化将框架结构进行力学模型化，即将结构划分为若干个杆件和节点，并确定节点的受力情况。

杆件的长度、截面形状和材料参数等需要根据实际情况进行设定，以便计算杆件的受力。

3.杆件的受力计算根据竖向荷载作用下杆件的受力平衡和变形情况，可以得到杆件的轴力、剪力和弯矩等。

对于轴力，可以利用静力平衡原理进行计算。

对于剪力和弯矩，可以根据杆件的受力分布和形状进行计算，常用的方法包括截面法和弯矩传递法等。

4.框架结构的内力计算根据杆件的受力计算结果，可以得到框架结构内各个节点的内力情况。

根据节点的受力平衡条件，可以计算出节点上的轴力、剪力和弯矩等。

此外，还需要考虑支座反力的作用，以及与其他荷载（如横向荷载）的叠加效应。

5.内力的承载能力和设计校核根据内力计算结果，可以对框架结构的承载能力进行评估和校核。

根据设计规范和材料参数，结合强度和稳定性要求，进行构件的截面尺寸校核。

如果结构的承载能力满足要求，则结构设计合理；否则，需要进行后续的调整和优化。

总的来说，竖向荷载作用下框架内力计算是结构设计中的重要环节。

通过合理的受力分析和计算，能够得到准确的内力计算结果，从而为结构设计和施工提供科学的依据。

框架结构竖向荷载作用下的内力计算框架结构是由梁柱等构件组成的，在受到竖向荷载作用下，会引起构件内力的产生。

了解框架结构竖向荷载作用下的内力计算对于结构的设计和分析非常重要。

下面将详细介绍框架结构竖向荷载作用下的内力计算方法。

首先，通过建立结构模型来描述框架结构。

结构模型中包括构件、节点和连接关系。

构件可以是梁或柱，节点是构件之间的连接点，连接关系表示构件之间的刚性约束。

在竖向荷载作用下，框架结构的内力主要有两种情况：梁内力和柱内力。

1.梁内力计算：在竖向荷载作用下，梁会产生弯矩和剪力。

根据梁的基本理论，可以得出计算弯矩和剪力的公式。

-弯矩计算：弯矩是由竖向荷载作用在梁上引起的。

根据弯矩的定义，弯矩M等于施加在梁上的力乘以力臂。

当梁需要承受重力荷载时，弯矩的计算公式为M=w*l^2/8，其中w为荷载大小，l为梁的跨度。

-剪力计算：剪力是由竖向荷载作用在梁上引起的。

根据剪力的定义，剪力V等于施加在梁上的力。

当梁需要承受重力荷载时，剪力的计算公式为V=w*l/2，其中w为荷载大小，l为梁的跨度。

2.柱内力计算：在竖向荷载作用下，柱会产生压力和拉力。

根据柱的基本理论，可以得出计算压力和拉力的公式。

-压力计算：压力是由竖向荷载作用在柱上引起的。

根据力学平衡原理，压力P等于施加在柱上的荷载之和。

当柱需要承受多个重力荷载时，压力的计算公式为P=∑w，其中w为荷载大小。

-拉力计算：拉力是由竖向荷载作用在柱上引起的。

和压力类似，拉力T等于施加在柱上的荷载之和。

在实际计算过程中，需要考虑梁和柱的截面形状和材料性质，以及节点和连接部位的刚性约束等因素。

同时，还需要考虑结构的整体平衡条件和节点处的力的平衡条件。

在计算过程中，可以使用静力平衡原理和弹性力学理论来进行分析。

通过平衡方程和应变-位移关系等基本原理，可以建立结构方程组，并通过求解方程组得到内力的值。

总结起来，框架结构竖向荷载作用下的内力计算是一个复杂的过程，需要考虑多个因素和使用多种方法。