框架结构的侧移主要是由水平荷载作用而产生的。侧移过大将导致填充墙开裂,外墙饰面脱落,影响建筑物的正常使用,故设计时需要分别对框架的层间位移及其顶点侧移进行限制,使其满足有关要求,因此须计算其层间位移及其顶点侧移。这里介绍框架侧移的近似计算方法。
高层建筑框架结构的水平位移分为两部分:梁柱弯曲变形产生的ΔM和柱子轴向变形产生的ΔN。即:
由梁柱弯曲变形引起的侧移ΔM可以用“D值法”相关公式计算(参见相关书籍)。如框架第i层由梁柱弯曲引起的层间位移为:
式中 Vi——第i层的楼层剪力;
Di——第i层所有柱抗侧移刚度之和,即Di=∑Dij。
由式(3.8)可以看出,框架结构水平荷载作用下的层间位移与外荷载在该层间产生的剪力成正比,其侧移曲线与悬臂梁的剪切变形曲线一致,故称这种变形为总体剪切变形,因此,各楼板标高处侧移值为该层以上各层层间侧移之和,则框架顶点由梁柱局部弯曲引起的侧移即为所有层间侧移的总和:
而总体弯曲变形是由框架两侧边柱中轴力引起柱子伸长或缩短所致的变形,它与悬臂梁的弯曲变形规律一致,故称之为总体弯曲变形,求柱子轴向变形产生的侧向位移时,框架内柱接近高层中部,受力较小,假定在水平力作用下中柱轴力为零,仅边柱发生轴向变形,并假定柱截面由底到顶线性变化,此时框架顶点的侧向位移为:
式中 V0——框架底部剪力;
B——框架的宽度,即边柱间距;
Ec1——框架底层柱的混凝土弹性模量;
Ac1——框架底层边柱截面面积;(www.daowen.com)
FN——位移系数,取决于水平力形式、顶层柱与底层柱的轴向刚比,可由表3.10查得;
H——框架总高度。
表3.10 位移系数FN值
注 SN=Ec2Ac2/Ec1Ac1,为顶层边柱与底层边柱的轴向刚度比。
框架结构从总体上讲,其变形特征为剪切形如图3.11(a)所示。
图3.11 多层框架建筑变形类型
(a)框架剪切变形;(b)框架弯曲变形
当框架高度超过50m,或建筑高度高宽比H/B>4时,柱顶点由轴力引起的位移可以达到剪切变形侧移量的5%~11%左右,设计时应同时考虑两者共同产生的位移。
在正常使用条件下,限制结构层间位移的主要目的是保证主体结构基本处于弹性状态,避免混凝土构件出现裂缝或控制在规范允许的范围之内;同时保证填充墙和幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显的损坏。为此,我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)规定,按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比Δu/h宜符合以下规定:高度不大于150m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比Δu/h不宜大于表3.11的限值;高度等于或大于250m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比Δu/h不宜大于1/500;高度为150~250m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比Δu/h的限值按以上两种限值情况线性插入取用。
表3.11 楼层层间最大位移与层高之比的限值
注 楼层层间最大位移Δu以楼层最大的水平位移差计算,不扣除整体弯曲变形。抗震设计时,本表规定的楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。
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