简答题

试述框架结构体系的特征、特性及适用高度。

正确答案

1.体系特征
框架体系是指沿房屋的纵向和横向均采用钢框架作为主要承重构件和抗侧力构件所构成的结构体系。其钢框架是由水平杆件(钢梁)和竖向杆件(钢柱)正交连接形成。地震区的高楼采用框架体系时,框架的纵、横梁与柱的连接一般采用刚性连接。在某些情况下,为加大结构的延性,或防止梁与柱连接焊缝的脆断,也可采用半刚性连接。
2.受力特性
刚性连接的框架在水平力作用下,在竖向构件的柱和水平构件的梁内均引起剪力和弯矩,这些力使梁、柱产生变形。因此,框架结构体系利用柱与各层梁的刚性连接,改变了悬臂柱的受力状态,使柱在抵抗水平荷载时的自由悬臂髙度,由原来独立悬臂柱或铰接框架柱的房屋总高度减少为楼层高度的一半(h/2),即减小了几十倍之多,从而使柱所承受的弯矩大幅度减小,使框架能以较小截面积的梁和柱,承担作用于高楼结构上的较大水平荷载和竖向荷载。因此,框架抗侧力的能力主要决定于梁和柱的抗弯能力。房屋层数增多,侧力总值增大,而要提高梁、柱的抗弯能力和刚度,只有加大梁、柱的截面,截面过大,就会使框架失去其经济合理性。
髙层建筑的框架结构,在竖向荷载作用下,仅框架柱的轴向压力自上而下逐层增加
(框架梁、柱的弯矩和剪力自上而下基本无变化);在水平荷载作用下,框架梁、柱的弯矩、剪力和轴力自上而下均逐层增加,上小下大,而且第二层边跨的框架梁梁端内力常为最大。
3.变形特点
框架在侧力作用下,在所有杆件(柱和梁)内均引起剪力和弯矩,从而使梁、柱产生垂直于杆轴方向的变形。框架在侧力作用下所产生侧向位移△由两部分组成:倾覆力矩使框架发生整体弯曲所产生的侧移△b和各层水平剪力使该层柱、梁弯曲(框架整体剪切)所产生的侧移△s。
对于高度在60m以下的框架,在侧力引起的侧向位移△中,框架整体弯曲变形约占
15%;框架整体剪切变形约占85%。因此框架整体侧移曲线呈剪切型,层间侧移呈下大上小状。最大的层间侧移常位于底层或下部几层。
在水平荷载作用下,框架节点因腹板较薄,节点域将产生较大的剪切变形,从而使框架侧移增大10%~20%(《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-1998)规定,应计入其影响;对内力的影响在10%以内,可不计其影响)。
4.二阶效应
钢框架结构除了具有一般框架结构的性能以外,还存在着一种不可忽视的效应即框架的二阶效应。这是因为钢框架结构的侧向刚度有限,在风荷载或水平地震作用下将产生较大的侧向位移△,由于竖向荷载P作用于几何变形已发生显著变化的结构上使杆件内力和结构侧移进一步增大,这种效应也称之为二阶效应,或简称P-△效应。当钢框架结构越高事,P-△效应也就越显著。为了控制结构的侧移值,必然要增加梁和柱的刚度。当结构达达到一定高度时,梁、柱的截面尺寸就完全由结构的刚度而不是强度控制。
5.框架特点及应用
框架结构体系的优点是能够提供较大的内部使用空间,因而建筑平面布置灵活,能适应多种类型的使用功能,构造简单,构件易于标准化和定型化,施工速度快,工期短。对层数不太多的高层结构而言,框架体系是一种比较经济合理、运用广泛的结构体系,常用于层数不超过30层的高层建筑。
在地震力作用下,由于结构的柔软性,使结构自振周期长,且结构自重轻,结构影响系数小,因而所受地震力小,这是有利于抗震的。但由于结构的柔软性,地震时侧向位移大,易引起非结构性构件的破坏,有时甚至造成结构的破坏。

答案解析

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