《分层法》例题详解
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例:如图1所示一个二层框架,忽略其在竖向荷载作用下的框架侧移,用分层法计算框架的弯矩图,括号内的数字,表示各梁、柱杆件的线刚度值(EIil)。
图1解:1、图1所示的二层框架,可简化为两个如图2、图3所示的,只带一层横梁的框架进行分析。
图2 二层计算简图图3 底层计算简图2、计算修正后的梁、柱线刚度与弯矩传递系数采用分层法计算时,假定上、下柱的远端为固定,则与实际情况有出入。
因此,除底层外,其余各层柱的线刚度应乘以0.9的修正系数。
底层柱的弯矩传递系数为12,其余各层柱的弯矩传递系数为13。
各层梁的弯矩传递系数,均为12。
图4 修正后的梁柱线刚度图5 各梁柱弯矩传递系数3、计算各节点处的力矩分配系数计算各节点处的力矩分配系数时,梁、柱的线刚度值均采用修正后的结果进行计算,如:G节点处:7.630.6687.63 3.79GH GHGHGH GDGjGi ii iiμ====++∑GD3.790.3327.63 3.79GD GDGH GDGjGi ii iiμ====++∑H节点处:7.630.3537.63 3.7910.21HG HGHGHG HE HIHjHi ii i iiμ====++++∑3.790.1757.63 3.7910.21HI HIHIHG HE HIHjHi ii i iiμ====++++∑10.210.4727.63 3.7910.21HE HEHEHG HE HIHjHi ii i iiμ====++++∑同理,可计算其余各节点的力矩分配系数,计算结果见图6、图7。
图6 二层节点处力矩分配系数图7 底层节点处力矩分配系数4、采用力矩分配法计算各梁、柱杆端弯矩(1)第二层:①计算各梁杆端弯矩。
先在G、H、I节点上加上约束,详见图8图8 二层计算简图计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号),写在各梁杆端下方,见图9:213.13kN m 12F GHql M =-=-⋅213.13kN m 12F HGql M ==⋅ 27.32kN m 12F HI ql M=-=-⋅27.32kN m 12F IHql M==⋅ 在节点G 处,各梁杆端弯矩总与为:13.13kN m FG GH M M ==-⋅在节点H 处,各梁杆端弯矩总与为:13.137.32 5.81kN m F F H HG HI M M M =+=-=⋅在节点I 处,各梁杆端弯矩总与为:7.32kN m F I IH M M ==⋅②各梁端节点进行弯矩分配,各两次,详见图9 第一次弯矩分配过程:放松节点G,即节点G 处施加力矩13.13kN m ⋅,乘以相应分配系数0、668与0、332,得到梁端+8.76kN m ⋅与柱端+4.37kN m ⋅,+8.76kN m ⋅按12传到GH 梁H 端;放松节点I,即在节点I 处施加力矩7.32kN m -⋅,乘以相应分配系数0、935与0、065,得到梁端 6.32kN m -⋅与柱端+1.00kN m ⋅, 6.32kN m -⋅按12传到IH 梁H 端;放松节点H,相应的在节点H 处新加一个外力偶矩,其中包括GH 梁右端弯矩、IH 梁左端弯矩、GH 梁与IH 梁传来的弯矩。
例:如图1所示一个二层框架,忽略其在竖向荷载作用下的框架侧移,用分层法计算框架的弯矩图,括号内的数字,表示各梁、柱杆件的线刚度值(EIil )。
图1解:1、图1所示的二层框架,可简化为两个如图2、图3所示的,只带一层横梁的框架进行分析。
图2 二层计算简图图3 底层计算简图2、计算修正后的梁、柱线刚度与弯矩传递系数采用分层法计算时,假定上、下柱的远端为固定,则与实际情况有出入。
因此,除底层外,其余各层柱的线刚度应乘以0.9的修正系数。
底层柱的弯矩传递系数为12,其余各层柱的弯矩传递系数为13。
各层梁的弯矩传递系数,均为12。
图4 修正后的梁柱线刚度图5 各梁柱弯矩传递系数3、计算各节点处的力矩分配系数计算各节点处的力矩分配系数时,梁、柱的线刚度值均采用修正后的结果进行计算,如:G节点处:7.630.6687.63 3.79GH GHGHGH GDGjGi ii iiμ====++∑GD3.790.3327.63 3.79GD GDGH GDGjGi ii iiμ====++∑H节点处:7.630.3537.63 3.7910.21HG HGHGHG HE HIHjHi ii i iiμ====++++∑3.790.1757.63 3.7910.21HI HIHIHG HE HIHjHi ii i iiμ====++++∑10.210.4727.63 3.7910.21HE HEHEHG HE HIHjHi ii i iiμ====++++∑同理,可计算其余各节点的力矩分配系数,计算结果见图6、图7。
图6 二层节点处力矩分配系数图7 底层节点处力矩分配系数4、采用力矩分配法计算各梁、柱杆端弯矩(1)第二层:①计算各梁杆端弯矩。
先在G、H、I节点上加上约束,详见图8图8 二层计算简图计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号),写在各梁杆端下方,见图9:213.13kN m 12FGHql M =-=-⋅213.13kN m 12F HGql M ==⋅ 27.32kN m 12F HIql M=-=-⋅27.32kN m 12F IHql M==⋅ 在节点G 处,各梁杆端弯矩总和为:13.13kN m FG GH M M ==-⋅在节点H 处,各梁杆端弯矩总和为:13.137.32 5.81kN m F F H HG HI M M M =+=-=⋅在节点I 处,各梁杆端弯矩总和为:7.32kN m F I IH M M ==⋅②各梁端节点进行弯矩分配,各两次,详见图9 第一次弯矩分配过程:放松节点G ,即节点G 处施加力矩13.13kN m ⋅,乘以相应分配系数0.668和0.332,得到梁端+8.76kN m ⋅和柱端+4.37kN m ⋅,+8.76kN m ⋅按12传到GH 梁H 端; 放松节点I ,即在节点I 处施加力矩7.32kN m -⋅,乘以相应分配系数0.935和0.065,得到梁端 6.32kN m -⋅和柱端+1.00kN m ⋅, 6.32kN m -⋅按12传到IH 梁H 端; 放松节点H ,相应的在节点H 处新加一个外力偶矩,其中包括GH 梁右端弯矩、IH梁左端弯矩、GH梁和IH梁传来的弯矩。
分层法例:某教学楼为四层现浇钢筋混凝土框架结构。
梁的截面尺寸:250mm×600mm,混凝土采用C20;柱的截面尺寸:450mm×450mm,混凝土采用C30。
试按分层法计算钢筋混凝土框架的弯矩,并绘出弯矩图。
屋面和楼面荷载标准值见下表。
解:(1)计算梁、柱线刚度1)梁的线刚度边跨梁:k b=E b I b/l=[25.5×106×(1/12)×0.25×0.63×1.5]/5.7=24.16×103kN·m(框架梁截面惯性矩增大系数均采用1.5)中跨梁:k b=E b I b/l=[25.5×106×(1/12)×0.25×0.63×2.0]/3.00=45.90×103kN·m2)柱的线刚度底层柱:k c=E c I c/h=[30×106×(1/12)×0.45×0.453]/4.55=22.53×103kN·m 其他层柱:k c=E c I c/h=[30×106×(1/12)×0.45×0.453]/3.60=28.48×103kN·m(2)计算分配系数除底层外,各层柱的线刚度应乘以0.9。
(3)荷载分析1)屋面梁上线荷载设计值恒载:1.2[(2.93+1.00+2.60)×4.5+0.25×0.60×25×1.2]=40.67kN/m 活载: 1.4×0.7×4.5=4.41kN/m (系数1.2为考虑梁挑檐及抹灰重的系数)q1=45.08kN/m 2)楼面梁上线荷载设计值教室恒载:1.2[(1.10+1.00+2.60)×4.5+0.25×0.60×25×1.2]=30.78kN/m活载: 1.4×2.00×4.5×0.9=11.34kN/m (系数0.9为屋面及楼面活荷载折减系数)q2=42.12kN/m 走道恒载:30.78kN/m 活载: 1.4×2.50×4.5×0.9=14.18kN/mq3=44.96kN/m(4)梁端固端弯矩M F顶层边跨梁(教室):M F=q1l12/12=45.08×5.72/12=122.05kN·m中跨梁(走道):M F=q1l22/3=45.08×(3/2)2/3=33.81kN·m其他层边跨梁(教室):M F=q2l12/12=41.12×5.72/12=114.04kN·m中跨梁(走道):M F=q3l22/3=44.96×(3/2)2/3=33.72kN·m(5)弯矩分配与传递(用弯矩分配法计算)1)屋面层列表计算,如表1。
例:如图1所示一个二层框架,忽略其在竖向荷载作用下的框架侧移,用分层法计算框架的弯矩图,括号的数字,表示各梁、柱杆件的线。
图1解:1、简化为两个图:图2、图3所示图2 第二层计算简图图3 底层计算简图2、计算修正后的梁、柱线刚度与弯矩传递系数除底层外,其余各层柱的线刚度应乘以0.9的修正系数。
底层柱的弯矩传递系数为1/2,其余各层柱的弯矩传递系数为1/3。
各层梁的弯矩传递系数,均为1/2.图4 修正后的梁柱线刚度图5 各梁柱弯矩传递系数3、计算各节点处的力矩分配系数 如:G 节点处:7.630.6687.63 3.79GHGH GH GH GD GjGi i i i iμ====++∑ GD 3.790.3327.63 3.79GDGD GH GD GjGi i i i iμ====++∑H 节点处:7.630.3537.63 3.7910.21HGHG HG HG HE HI HjHi i i i i iμ====++++∑3.790.1757.63 3.7910.21HIHI HI HG HE HI HjHi i i i i iμ====++++∑10.210.4727.63 3.7910.21HEHE HE HG HE HI HjHi i i i i iμ====++++∑其余各节点的力矩分配系数见图6、图7。
图6 二层节点处力矩分配系数图7 底层节点处力矩分配系数4、采用力矩分配法计算各梁、柱杆端弯矩(1)第二层: ①计算各梁杆端弯矩。
将各杆变成单跨梁,刚节点看成是固定端。
图8 二层计算简图计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号左负右正),213.13kN m 12F GHql M=-=-⋅ 213.13kN m 12F HGql M ==⋅ 27.32kN m 12F HIql M=-=-⋅ 27.32kN m12F IH ql M ==⋅ ②各梁端节点进行负弯矩分配和传递,各两次,第一次负弯矩分配与传递后再进行第二次负弯矩分配与传递:③计算各柱的杆端弯矩。
例:如图1所示一个二层框架,忽略其在竖向荷载作用下的框架侧移,用分层法计算框架的弯矩图,括号内的数字,表示各
1/3。
各层梁的弯矩传递系数,均为1/2.
图4 修正后的梁柱线刚度
图5 各梁柱弯矩传递系数
3、计算各节点处的力矩分配系数 如:G 节点处:
7.630.6687.63 3.79GH
GH GH GH GD Gj
G
i i i i i
μ=
===++∑
将各杆变成单跨梁,刚节点看成是固定端。
图8 二层计算简图
计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号左负右正),
②各梁端节点进行负弯矩分配和传递,各两次,
图9 二层弯矩分配传递过程(2)第一层:
①计算各梁杆端弯矩。
图10 底层计算简图
计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号),写在各梁杆端下
递,
13
89
图11 底层弯矩分配传递过程
5、将二层与底层各梁、柱杆端弯矩的计算结果叠加,就得到各梁、柱的最后
弯矩图,详见图12。
图12 弯矩图(单位:kN m )
6、力矩再分配
由以上各梁、柱的杆端弯矩图可知,。
例:如图1所示一个二层框架,忽略其在竖向荷载作用下的框架侧移,用分层法计算框架的弯矩图,括号内的数字,表示各梁、柱杆件的
线刚度值(
EI
i
l )。
图1
解:1、图1所示的二层框架,可简化为两个如图2、图3所示的,只带一层横梁的框架进行分析。
图2 二层计算简图
图3 底层计算简图
2、计算修正后的梁、柱线刚度与弯矩传递系数
采用分层法计算时,假定上、下柱的远端为固定,则与实际情况有出入。
因此,除底层外,其余各层柱的线刚度应乘以0.9的修正系数。
底
层柱的弯矩传递系数为1
2
,其余各层柱的弯矩传递系数为
1
3。
各层梁的弯
矩传递系数,均为1
2。
图4 修正后的梁柱线刚度
图5 各梁柱弯矩传递系数
3、计算各节点处的力矩分配系数
计算各节点处的力矩分配系数时,梁、柱的线刚度值均采用修正后的结果进行计算,如:
G节点处:
7.63
0.668
7.63 3.79
GH GH
GH
GH GD
Gj
G
i i
i i
i
μ====
++
∑
GD
3.79
0.332
7.63 3.79
GD GD
GH GD
Gj
G
i i
i i
i
μ====
++
∑
H节点处:
7.63
0.353
7.63 3.7910.21
HG HG
HG
HG HE HI
Hj
H
i i
i i i
i
μ====
++++
∑
3.79
0.175
7.63 3.7910.21
HI HI
HI
HG HE HI
Hj
H
i i
i i i
i
μ====
++++
∑
10.21
0.472
7.63 3.7910.21
HE HE
HE
HG HE HI
Hj
H
i i
i i i
i
μ====
++++
∑
同理,可计算其余各节点的力矩分配系数,计算结果见图6、图7。
图6 二层节点处力矩分配系数
图7 底层节点处力矩分配系数
4、采用力矩分配法计算各梁、柱杆端弯矩
(1)第二层:
①计算各梁杆端弯矩。
先在G、H、I节点上加上约束,详见图8
图8 二层计算简图
计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号),写在各梁杆端下方,见图9:
213.13kN m 12F
GH
ql M =-=-⋅
213.13kN m 12
F HG
ql M ==⋅ 27.32kN m 12
F HI
ql M
=-=-⋅
27.32kN m 12
F IH
ql M
==⋅ 在节点G 处,各梁杆端弯矩总和为:
13.13kN m F
G GH M M ==-⋅
在节点H 处,各梁杆端弯矩总和为:
13.137.32 5.81kN m F F H HG HI M M M =+=-=⋅
在节点I 处,各梁杆端弯矩总和为:
7.32kN m F I IH M M ==⋅
②各梁端节点进行弯矩分配,各两次,详见图9 第一次弯矩分配过程:
放松节点G ,即节点G 处施加力矩13.13kN m ⋅,乘以相应分配系数0.668和0.332,得到梁端+8.76kN m ⋅和柱端+4.37kN m ⋅,+8.76kN m ⋅按1
2
传到GH 梁H 端;
放松节点I ,即在节点I 处施加力矩7.32kN m -⋅,乘以相应分配系数0.935和0.065,得到梁端 6.32kN m -⋅和柱端+1.00kN m ⋅, 6.32kN m -⋅按12
传到IH 梁H 端;
放松节点H ,相应的在节点H 处新加一个外力偶矩,其中包括GH 梁右端弯矩、IH 梁左端弯矩、GH 梁和IH 梁传来的弯矩。
其值为
(13.13+4.387.32 3.16)kN m=7.03kN m ---⋅-⋅,乘以分配系数,HI 梁分配
3.56kN m -⋅、HG 梁分配 2.73kN m -⋅、HE 柱分配 1.32kN m -⋅, 3.56kN m -⋅按12
传到I 端, 2.73kN m -⋅按
1
2
传到G 端。
第一次分配过程完成。
第二次弯矩分配过程:
重复第一次弯矩分配过程,叠加两次结果,得到杆端最终弯矩值。
③计算各柱的杆端弯矩。
二层柱的远端弯矩为各柱的近端弯矩的13
(即传递系数为
13
),带*号的数值是各梁的固端弯矩,各杆分配系数写在图中的长方框内
图9 二层弯矩分配传递过程
(2)第一层:
①计算各梁杆端弯矩。
先在D 、E 、F 节点上加上约束,详见图10
图10 底层计算简图
计算由荷载产生的、各梁的固端弯矩(顺时针转向为正号),写在各梁杆端下方:
217.81kN m 12F
DE
ql M =-=-⋅
217.81kN m 12
F ED
ql M ==⋅ 28.89kN m 12
F EF ql M
=-=-⋅
28.89kN m 12
F FE
ql M
==⋅ 在节点D 处,各梁杆端弯矩总和为:
17.81kN m F
D D
E M M ==-⋅
在节点E 处,各梁杆端弯矩总和为:
17.818.898.92kN m F F E ED EF M M M =+=-=⋅
在节点I 处,各梁杆端弯矩总和为:
8.89kN m F F FE M M ==⋅
②各梁端节点进行弯矩分配,各两次,分配以及传递过程同第二层,但弯矩传递时要注意传递系数的差别。
③计算各柱的杆端弯矩。
二层柱的远端弯矩为各柱的近端弯矩的1 3
(即传递系数为1
3
),底层柱的远端弯矩为近端弯矩的
1
2
(即传递系数为
1
2
),带*号的数值是各梁的固端弯矩,各杆分配系数写在图中的长方框内。
图11 底层弯矩分配传递过程
5、将二层与底层各梁、柱杆端弯矩的计算结果叠加,就得到各梁、柱的最后弯矩图,详见图12。
图12 弯矩图(单位:kN m
)
6、力矩再分配
由以上各梁、柱的杆端弯矩图可知,节点处有不平衡力矩,可以将不平衡力矩再在节点处进行一次分配,此次分配只在节点处进行,并且在各杆件上不再传递。
在本题中,由于不平衡力矩相对较小,力矩可不再分配。