抗震框架设计课程设计指导书土木工程专业福建工程学院土木工程学院二0一四年十一月一、结构选型与布置1.结构方案选择房屋结构方案应根据使用要求、材料供应和施工条件进行必要的经济技术比较，在满足安全、适用和耐久性的前提下，尽可能做到经济合理、技术先进。
房屋的结构型式，应根据建筑物的功能、造型、房屋的高度、工程地质条件、工期等物质与技术条件来确定，根据教学要求，本次设计的主体房屋采用钢筋混凝土框架结构。
结构体系的选择，与房屋内部的空间要求有关，还与所受的荷载性质及其大小有关。
钢筋混凝土框架结构可采用横向框架承重、纵向框架承重和纵横向框架承重体系等。
钢筋混凝土框架结构房屋按施工方法的不同可分为现浇整体式、装配式和装配整体式。
地震区的混凝土框架结构主要采用现浇整体式框架。
2.结构布置房屋的结构布置，既要满足建筑在使用和造型上的要求，又必须考虑到结构布置合理，有利抗震。
建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，体型力求简单，并应具有良好的整体性。
建筑的立面和剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化。
房屋楼层不宜错层。
当建筑平面突出部分较长，结构刚度和荷载相差悬殊或房屋有较大错层时，宜设防震缝将房屋划分为平面规整、对称的单元。
（1）框架结构的承重方案通常有三种：1）横向框架承重方案由横向框架梁与柱构成主要承重框架，纵向由连系梁将横向框架连成一空间结构体系。
建议本次课程设计采用此方案。
2）纵向框架承重方案由纵向框架梁与柱构成主要承重框架，横向由连系梁将纵向框架连成一空间结构体系。
此承重方案横向刚度较差。
3）纵横向框架承重方案沿房屋纵横向布置承重框架，当房屋的纵横两个方向的长度相等或接近时，或两个方向柱列区格相近时，或有抗震设防要求时，宜采用此承重方案。
有关各种承重方案具体特点及适用性详见教材及相关参考书。
（2）柱网与层高多层工业与民用房屋的平面与剖面尺寸，应按《建筑模数协调统一标准》和《厂房建筑模数协调标准》确定，设计时应满足建筑上的功能要求，同时应尽可能地考虑构件的标准化。
（3）板、梁、柱截面尺寸初估本次课程设计梁、柱截面采用矩形截面，截面尺寸应符合现行规范的构造要求。
1）板的厚度h简支单向板：h≥l/35（l为板的跨度）；简支双向板：h≥l/45（l为板的较小跨度）；连续单向板：h ≥l /40（l 为板的跨度）； 连续双向板：h ≥l /50（l 为板的较小跨度）。
最小厚度：单向板：屋面板：60mm 民用建筑楼板：60mm 工业建筑楼板：70mm 双向板：80mm 2）框架梁截面高度:h b =（1/12～1/8）l （l 为梁的跨度） 截面宽度：b b ＝（1/3～1/2）h b截面宽度不宜小于200mm ；截面高宽比不宜大于4；净跨与截面高度之比不宜小于4。
3）连系梁截面高度：h b =（1/12～1/8）l （l 为梁的跨度） 截面宽度可同墙厚。
4）次梁截面高度：h b =（1/12～1/8）l （l 为梁的跨度） 截面宽度：b b ＝（1/3～1/2）h b 5）框架柱框架柱的截面尺寸一般根据柱轴压比限值控制，可按下列公式估算：n Fg N E β= []cN c f u NA ≥式中：N ——柱的轴向压力设计值，可由该柱负荷面积大小，根据竖向荷载的经验数据估算；F ——按简支状态计算的柱负载面积；g E ——折算单位建筑面积上的重力荷载代表值，可按实际荷载计算，也可近似取12～15kN/㎡；β——考虑地震组合后柱轴力增大系数，取1.2～1.3； n ——验算截面以上楼层层数； A c ——框架柱截面面积，A c =b c h c ；[]N u ——框架柱轴压比限值，一级、二级和三级抗震等级分别取《抗规2010》。
柱截面高度与宽度均不宜小于400mm ，剪跨比宜大于2，柱截面长边与短边的边长比不宜大于3。
同一平面内框架柱与框架梁中心线的偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4。
二、框架结构的计算简图1.框架的计算单元框架结构是空间结构，设计时通常近似按两个方向的平面框架分别计算。
图1为横向承重框架结构KJ-3的计算单元选取。
2.动力计算简图多自由度体系动力计算简图采用层间模型，即每层楼面及屋面作为一个质点，楼面与楼面（屋面）之间的竖向构件（如墙、柱等）的质量分别向上、向下集结到楼面及屋面质点处。
3.内力计算简图（1）框架跨度：取柱中心线之间的距离；（2）框架高度：底层高度取基础顶面到二层梁面之间的距离，其余层取层高。
（3）坡度≤1/8的斜梁或折线形横梁简化为水平横梁。
图1 KJ-3的计算单元三、重力荷载代表值计算计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。
各可变荷载的组合值系数见抗震结构教材或《建筑结构抗震规范》。
多自由度体系各质点的重力荷载代表值G i取本层楼面重力荷载代表值和相邻层层间竖向构件全部重力荷载代表值的一半之和。
各类荷载的取值主要根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）及设计任务书的有关规定选用。
四、框架刚度计算框架梁的线刚度：i b=EI b/l；框架柱的线刚度：i c=E c I c/H。
对于现浇整体式框架梁：中框架梁：I b=2.0I0边框架梁：I b=1.5I0其中，I 0为按矩形截面计算框架梁的惯性矩。
五、框架自振周期计算可采用能量法、等效质量法或顶点位移法计算结构基本自振周期T 1。
1.能量法∑∑===ni ii ni i i Tu G g u G T 11212πψ式中：i u ——计算结构自振周期用的i 楼层的假想侧移（m ），即假想集中在各层楼面处的重力代表值G i 作为水平荷载而算出的i 楼层的侧移；T ψ——结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数，一般框架结构取0.6～0.7。
2.等效质量法δπeq m T 21= eq m ——等效质量；δ——体系在等效质奌处,受单位水平力所产生所水平位移。
3.顶点位移法T T u T α7.11=式中：T u ——计算结构自振周期用的结构顶点假想侧移（m ），即假想集中在各层楼面处的重力代表值G i 作为水平荷载而算出的结构顶点位移；六、多遇水平地震作用计算对于房屋高度不超过40m ，质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以剪切变形为主，扭转效应可忽略不计的结构可采用底部剪力法计算结构多遇水平地震作用，其主要计算步骤为：1.计算结构等效总重力荷载代表值：G eq =0.85ΣG i ；2.由结构的基本自振周期T 1，根据地震影响系数曲线确定结构的地震影响系数α1；混凝土结构的阻尼比ζ取0.05；3.计算总水平地震作用标准值：F Ek =α1 G eq ；4.计算各质点多遇水平地震作用标准值： （1）T 1>1.4 T g顶层水平地震作用：Ek n Ek n nj jj ii n F F H G H G F δδ+-=∑=)1(1；其余各层水平地震作用：Ek n nj jj ii i F H G H G F )1(1δ-=∑=。
式中：δn ——顶部附加地震作用系数；（2）T 1≤1.4 T g各层水平地震作用：Ek nj jj ii i F H G H G F ∑==1。
七、框架各层地震力及弹性位移计算1.各层地震力相应各层的地震剪力标准值V i ：V i =∑=ni j i F 。
采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大部分不应往下传递，但与该突出部分相连的构件应予计入。
规则结构不进行扭转耦联计算时，平行地震作用方向两个边榀，其地震作用应乘以增大系数。
一般情况下，短边可按1.15采用，长边可按1.05采用。
2. 位移计算（1）多遇地震作用下的楼层内最大水平弹性层间位移验算：Δu e ≤/h/550； （2）罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算：Δu p ≤h /50。
八、框架内力分析（1）水平地震作用下：采用D 值法进行计算。
（2）重力荷载效应作用下：采用弯矩二次分配法进行计算。
九、框架截面内力组合（1）控制截面及最不利内力 1）框架梁：梁端支座截面：max M -、max M +、max V 跨间截面：max M +及可能出现的max M - 2）框架柱：上、下两端截面。
最不利内力：max M +及相应的N 、V ；max M -及相应的N 、V ；max N 及相应的M 、V ；min N 及相应的M 、V ；（2）荷载效应组合本次课程设计荷载效应组合设计值仅考虑地震作用的效应组合：EhK Eh GE G S S S γγ+=式中：G γ、Eh γ分别重力荷载代表值、水平地震作用的分项系数，各系数的取值按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）有关规定采用；GE S 为重力荷载代表值的效应；EhK S为水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数。
（3）抗震验算（三级框架）内力的调整，请查《抗规2010》。
1）柱端弯矩设计值调整三级框架的梁柱节点处除框架顶层和柱轴压比小于0.15 者外，柱端组合的弯距设计值应符合下式要求：b c c M M ∑=∑η式中：c M ∑——节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，可按弹性分析分配；b M ∑——节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和；c η——柱端弯矩增大系数，三级取1.3。
当框架柱反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以c η。
三级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值应乘以增大系数1.3。
3）杆端剪力设计值调整（剪力设计值相应按调整后的柱端弯矩进行计算）。
（a ）三级框架梁端截面组合的剪力设计值应按下式调整：G b n rb l b vb V l M M V ++=/)(ηl bM 、r b M ——分别为梁端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值； Gb V ——梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端剪力设计值；vb η——梁端剪力增大系数，三级取1.1。
（b ）三级框架柱端的剪力设计值应按下式调整：n t c b c vb H M M V /)(+=ηb cM 、tc M —分别为柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值； vb η——柱剪力增大系数，三级取1.1。
三级框架的角柱经调整后的弯矩设计值、剪力设计值尚应乘以不小于1.10的增大系数。
十、框架截面承载力计算请查《抗规2010》。
（1）框架梁的截面设计 1）框架梁正截面承载力计算考虑地震作用效应组合时：RE u E M M γ/≤或RE γu E M M ≤式中：RE γ——承载力抗震调整系数，取值详见教材或《建筑抗震设计规范》2010；E M ——考虑地震作用效应组合时梁截面组合的弯矩设计值；u M ——梁正截面承载力设计值。
