CN112541249A

CN112541249A - 一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法

Info

Publication number: CN112541249A
Application number: CN201910909369.7A
Authority: CN
Inventors: 郭满良
Original assignee: Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research Co Ltd
Current assignee: Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research Co Ltd
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-23

Abstract

本发明公开了一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法，包括计算多层框架结构的荷载；依次组装多层框架结构的每一层框架结构，并在组装完毕当前层框架结构时，调整当前层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，在当前层框架结构上施加预载；将当前层框架结构的构件节点连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态，在当前层框架结构上卸除预载；在每一层框架结构的构件节点连接状态均保持为第二连接状态时，在多层框架结构上施加荷载。采用本发明的方法，可使框架结构构件全长范围的正负弯矩得到有效的均化，进而提高框架结构在结构中的受力性能和经济性，为结构的方案可行性提供了方向。

Description

一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法。

背景技术

在实际建造或制造应用中，为了分析判断多层框架结构的受力性能，通常会采用计算框架结构的弯矩的方式，根据计算出的弯矩确定框架结构的构件的内力情况，从而确定框架结构的构件。目前，在有关规范及工程结构理论中，针对框架结构的弯矩计算，通常是假定多层框架结构的每一层构件的两端连接为铰接承受全部荷载，或者是假定框架结构构件连接为刚接承受全部荷载，然后再计算该多层框架结构的构件承受的弯矩，进而确定结构性能。

然而，在实际设计和建造或制造中发现，采用上述方式计算得到的多层框架结构的受力弯矩分布极为不均，业界还有一个基本常识，弯矩一般是影响框架结构性能的重要内力，甚至是控制内力。其中，梁为受弯构件，由弯矩控制；柱子为压弯构件，受弯矩影响敏感。

因此，假如采用最终状态(例如刚接或铰接)直接生成下的荷载施加方式计算得到多层框架结构的弯矩，对于梁柱而言，梁与柱的两端与中部的弯矩幅差较大，从而导致可能需增大构件截面，进而导致工程造价较高，技术措施难度较大，甚至有可能出现误判做出结构不可行的结论。

发明内容

本发明实施例公开了一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法，在框架结构承受荷载之前，在逐层组装过程中，先逐层施加预载以及逐层卸除预载，从而能够均化多层框架的内力，有利于提高框架结构的受力性能。

本发明提供了一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法，所述方法包括

计算所述多层框架结构的荷载；

依次组装所述多层框架结构的每一层框架结构，并在组装完毕所述多层框架结构的当前层框架结构时，调整所述当前层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，在所述当前层框架结构上施加对应当前层框架结构的预载；将所述当前层框架结构的构件节点连接状态由所述第一连接状态调整为第二连接状态，在所述当前层框架结构上卸除预载；

所述多层框架结构组装完成且所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态均保持为第二连接状态时，在所述多层框架结构上施加荷载；

计算所述当前层框架结构及其下各层框架结构在对应的当前层预载作用下的内力；以及，计算所述当前层框架结构及其下各层框架结构在卸除当前层预载作用下的内力；以及，计算所述多层框架结构在荷载作用的内力；以及，叠加上述所有的内力，得到目标内力。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述多层框架结构的每一层框架结构的该层预载的方向相同，但分布相同或不同。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述多层框架结构的每一层框架结构的该层预载与该层荷载的方向相同，但分布相同或不同。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，

所述第一连接状态为未连接状态、铰接、半刚接或固接中的任一种，所述第二连接状态为半刚接、刚接或铰接；

所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态时的节点连接约束个数小于所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态时的节点连接约束个数。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态时，该每一层框架结构的所述构件节点的节点连接约束个数相同或不同；所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态时，该每一层框架结构的所述构件节点的节点连接约束个数相同或不同。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，

在计算所述多层框架结构的荷载时，所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为传统连接状态；

其中，所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为所述传统连接状态时的节点连接约束个数小于或等于所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态时的节点连接约束个数，且，所述每一层框架结构的构件节点连接状态为所述传统连接状态时的节点连接约束个数大于所述每一层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态时的节点连接约束个数。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述多层框架结构的每一层框架结构在其对应层预载作用下的弯矩不同。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述多层框架结构为地上结构时，所述多层框架结构为由下至上逐层组装，所述多层框架结构为地下结构时，所述多层框架结构为由上至下逐层组装。

与传统技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提出了一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法，主要是通过逐层组装框架结构，并在组装完毕该层框架结构时，先调整多层框架结构的每一层框架结构的构件的连接状态，并施加预载以及更改该层框架结构的构件的连接状态后卸除施加的预载，从而使得框架结构的构件由于该施加预载和卸除预载的两个状态不同(卸载时结构状态的刚度大于预载时结构状态的刚度)，从而改变构件的两端和中部受到的弯矩作用，有效均化构件受到的弯矩，从而解决了传统的框架结构的构件受到的弯矩主要集中在跨中或两端，而导致两端弯矩与中部弯矩极为不均，进而需增大构件截面的问题，不仅有效节省材料，同时使得构件的力学性能更优，有利于提高框架结构在结构中的受力性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统的多层框架结构(以排架为例)受竖向荷载作用的弯矩图；

图2是传统的多层框架结构(以排架为例)受横向荷载作用的弯矩图；

图3是图1的弯矩和图2的弯矩叠加后多层框架结构的弯矩图；

图4是传统的多层框架结构(以框架为例)受竖向荷载作用的弯矩图；

图5是传统的多层框架结构(以框架为例)受横向荷载作用的弯矩图；

图6是图4的弯矩和图5的弯矩叠加后多层框架结构的弯矩图；

图7是本发明的多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法的流程图；

图8是本发明案例一提供的第一层框架结构在第一连接状态下受第一层预载作用的弯矩图；

图9是本发明案例一提供的第一层框架结构在第二连接状态下卸除第一层预载作用的弯矩图；

图10是图8的弯矩和图9的弯矩叠加后的预内力弯矩图；

图11是本发明案例一提供的i层框架结构在其第i层为第一连接状态下受第i层预载作用的弯矩图；

图12是本发明案例一提供的i层框架结构在其第i层为第二连接状态下卸除第i层预载作用的弯矩图；

图13是图11的弯矩和图12的弯矩叠加的预内力弯矩图；

图14是本发明案例一将图10与图13的弯矩叠加后的预内力弯矩图；

图15是本发明案例一将图6与图14叠加后的弯矩图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

以下进行结合附图进行详细描述。

请参阅图7，图7为本发明实施例公开的多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法的流程示意图。本发明的多层框架结构可为i层，如图7所示，该方法可包括

101、计算多层框架结构的荷载。

在本实施例中，多层框架结构可为至少两层。即，i为正整数且i大于1，例如，i可为2、3、4、5等等，即，多层框架结构可为2层、3层、4层或更多层。该多层框架结构的构件可包括横向结构构件和竖向结构构件，横向结构构件可为梁，例如直梁、斜梁、屋面梁、楼层梁等。而竖向结构构件可为柱或墙，例如立柱、斜柱、立墙或斜墙等。因此，该多层框架结构可为梁柱结构或梁墙结构。

可以得知的是，本发明的多层框架结构的多层是指框架结构的层数。

在本实施例中，在计算框架结构的荷载时，该多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态可全部处于传统连接状态，该传统连接状态是指该框架结构的构件的连接节点的连接刚度一次生成的状态，例如一次生成为铰接、半刚接或刚接等连接状态。也就是说，多层框架结构的每一层框架的构件的连接状态此时都处于传统连接状态。框架结构的荷载可为分布荷载和/或集中荷载。即，框架结构的荷载可为分布荷载或集中荷载，当然也可同时包括分布荷载和集中荷载。可以理解的是，在其他实施例中，该多层框架结构的荷载还可为竖向荷载和/或水平荷载。

102、依次组装所述多层框架结构的每一层框架结构，并在组装完毕所述多层框架结构的当前层框架结构时，调整所述当前层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，在所述当前层框架结构上施加对应当前层框架结构的预载；将所述当前层框架结构的构件节点连接状态由所述第一连接状态调整为第二连接状态，在所述当前层框架结构上卸除预载。多层框架组装完成后，保持每一层框架结构的连接状态为第二连接状态下，在多层框架结构上施加所述荷载。

在本实施例中，以多层框架结构为4层为例，即，i＝4，则在组装时，是依次一层一层组装，直至全部四层都组装完毕。但是，在组装完当前层框架结构时，可先调整该当前层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，然后在该当前层框架结构上施加与该当前层框架结构对应的预载，施加完毕后，再将该当前层框架结构的构件节点连接状态由第一连接状态调整至第二连接状态，然后卸除该对应的预载。以此类推，在每一层框架结构组装完毕时，均执行上述的调整连接状态为第一连接状态，施加预载，然后将当前层构件节点连接状态调整为第二连接状态，卸除预载的操作。

例如，在具体操作中，先组装第一层框架结构，然后调整第一层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，施加第一层预载；然后调整第一层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态，卸除第一层预载。组装第二层框架结构，然后调整第二层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，施加第二层预载；然后调整第二层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态，卸除第二层预载。同理，组装第三层框架结构，然后调整第三层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，施加第三层预载；然后调整第三层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态，卸除第三层预载。以此类推，组装第四层框架结构，然后调整第四层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，施加第四层预载；然后调整第四层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态，卸除第四层预载。

由此可知，在本发明中，该多层框架结构的组装方式是采用逐层依次组装的方式，对每一层框架结构的预载和卸载操作也是逐层进行。

在本实施例中，在组装当前层框架结构后，可先调整当前层框架结构的构件节点连接状态，使其达到传统连接状态。在结构理论中，传统连接状态可为铰接、半刚接或刚接。优选地，若多层框架结构的构件间的连接状态为传统连接状态，则此时，当前层框架结构的构件处于超静定结构状态，则该荷载为结构在超静定结构状态下承受的荷载。

其中，该当前层框架结构是指当前正在组装的该层框架结构，例如，如果当前正在组装第一层框架结构，则当前层则为第一层框架结构；如果当前正在组装第二层框架结构，则该当前层则为第二层框架结构；以此类推，如果当前正在组装第i层框架结构，则该当前层则为第i层框架结构。

进一步地，该多层框架结构可为地上结构或地下结构。当多层框架结构为地上结构时，该多层框架结构的组装顺序为由下至上逐层组装。而当多层框架结构为地下结构时，此时，该多层框架结构的组装顺序为自上而下逐层组装。

举例来说，以多层框架结构包括第一层框架结构和第二层框架结构为例，当多层框架结构为地上结构时，则第一层框架结构位于该第二层框架结构的下方。当多层框架结构为地下结构时，则第一层框架结构位于该第二层框架结构的上方。

进一步地，当前层框架结构在构件的连接状态处于传统连接状态时承受的荷载可根据有关规范中规定的公式进行计算得到。

在本实施例中，该第一连接状态包括但不限于未连接状态、铰接、半固接或刚接中的某一种或其他与传统连接状态不同的连接状态。同理，第二连接状态为与第一连接状态不同的铰接、半固接、刚接等等。

进一步地，对于多层框架结构而言，其每一层框架结构的节点连接状态在第一连接状态时的节点连接约束个数小于其每一层框架结构的节点连接状态在第二连接状态时的节点连接约束个数。同时，其每一层框架结构的节点连接状态在传统连接状态时的节点连接约束个数小于或等于其每一层框架结构的节点连接状态在第二连接状态时的节点连接约束个数，但是，其每一层框架结构的节点连接状态在传统连接状态时的节点连接约束个数大于其每一层框架结构的节点连接状态在第一连接状态时的节点连接约束个数。即，传统连接状态下，该层框架结构的构件节点的连接刚度大于第一连接状态下该层框架结构的构件节点的连接刚度。总之，第二连接状态的刚度大于第一连接状态的刚度。

举例来说，以第一层框架结构为例，如果第一层框架结构的传统连接状态为铰接，则第一层框架结构的第一连接状态则需为连接约束个数较少的未连接，而第一层框架结构的第二连接状态则可为铰接、半刚接、刚接等等。

更进一步地，对于多层框架结构而言，其每一层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态时，其每一层框架结构的构件节点的节点连接约束个数相同或不同。

举例来说，以多层框架结构包括第一层框架结构和第二层框架结构为例。当第一层框架结构的构件节点处于第一连接状态时，其此时可为铰接，而第二层框架结构的构件节点处于第一连接状态时，其此时可为未连接、铰接或半刚接等等，只要满足连接约束个数小于传统连接状态和第二连接状态即可。

类似的，对于多层框架结构而言，其每一层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态时，其每一层框架结构的构件节点的节点连接约束个数相同或不同。

同样以多层框架结构包括第一层框架结构和第二层框架结构为例。当第一层框架结构的构件节点处于第二连接状态时，其此时可为半刚接，而第二层框架结构的构件节点处于第二连接状态时，其此时可为半刚接或刚接等等，只要满足连接约束个数大于或等于传统连接状态和第一连接状态即可。

由此可知，采用本发明的基于预载的框架结构荷载施加方法，其两个不同的连接状态可根据实际建造(制造)情况调整，适用性更广。

在本实施例中，对于多层框架而言，其每一层框架结构施加的预载的方向都相同，但分布则可相同或不同。例如，同样以第一层框架结构和第二层框架结构为例，在第一层框架结构上施加方向向下的预载，同样在第二层框架结构上施加方向向下的预载，但第二层框架结构上的预载分布和第一层框架结构上的分布则可以采用相同的分布，当然也可以采用不同的分布。

进一步地，对于多层框架结构而言，其每一层框架结构施加的预载的方向与其所在层的荷载的方向相同，但分布则可相同或不同。例如，以第一层框架结构为例，第一层框架结构的荷载为方向向下的竖向均布荷载，则该第一层框架结构施加的预载也可为方向向下的竖向荷载，但第一层框架结构施加的预载可以不是均布荷载，而是集中荷载。

进一步地，对于多层框架结构而言，其主要在于，在组装完毕当前层框架结构后，调整该当前层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态，施加该当前层对应的预载，然后再将该当前层框架结构的构件节点连接状态由第一连接状态调整至第二连接状态，然后卸除该对应的预载。这个卸除预载的操作相当于在该当前层框架结构的节点连接状态为第二连接状态时，在该当前层框架结构上施加了一个与预载方向相反，但大小相等的荷载。这个过程中，预载归零，但是由于施加预载和卸除预载时的节点连接状态是不同的，其对框架结构，尤其当前层框架结构产生的内力分布也不同，从而叠加储存了一定量的内力，称之为预内力弯矩。

也就是说，采用本发明的方案，主要是在多层框架结构的当前层框架结构的构件节点处于两个不同的连接状态时分别施以对应的预载和卸除对应的预载，能够有利于当前框架结构，尤其当前层框架结构，最终使整体结构的构件的弯矩均化。

举例来说，以第一层框架结构为例。在本实施例中，由于在第一层框架结构的构件的连接状态位于第一连接状态时，在第一层框架结构上施加了第一层预载，而在第一层框架结构的构件的连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态后，则卸除第一层框架结构施加的第一层预载。因此，本发明所述的在第一层框架结构上卸除该第一层预载的操作，实质上是相当于在第一层框架结构的构件处于第二连接状态时，在第一层框架结构上施加了一个与第一层预载大小相等但方向相反的荷载。这一施加预载和这一卸除预载的过程简述为预载和卸载，从预载到卸载，这个过程中，预载荷载完全归零，但由于两个阶段的状态不同(第一连接状态与第二连接状态不同)，因此，该第一层框架结构的构件叠加储存了一定量的弯矩，这部分弯矩则为上述提及的预内力弯矩。这部分预内力弯矩可以使得第一层框架结构的弯矩受到了均化。

103、所述多层框架结构组装完成且所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态均保持为第二连接状态时，在所述多层框架结构上施加荷载。

也就是说，在多层框架结构的每一层框架结构均施加了预载并卸除了预载后，并且在多层框架结构全部完成组成后，在第二连接状态下，才在多层框架结构的每一层框架上施加该荷载。

可以得知的是，在多层框架结构的连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态时，可优选该第二连接状态与传统的多层框架结构的较刚连接状态一致。具体地，在计算该框架结构承受的荷载之前，先调整该多层框架结构的连接状态，使得该多层框架结构的连接状态为二连接状态，这样，采用本发明的方案对多层框架结构的连接状态分成两个不同的连接状态时，可以确保多层框架结构的连接状态在最终可达到刚度不小于传统连接状态。例如，第一连接状态为铰接，第二连接状态为刚接。

举例来说，在实际组装中，本发明的多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法中，应对每一层框架结构均进行上述施加预载、卸除预载以及最后施加荷载的操作。举例来说，假若该多层框架结构为4层框架结构，则本发明实施例中，该方法的步骤为：

先组装第一层框架结构，然后调整第一层框架结构的构件的连接节点的连接状态为第一连接状态，然后在第一层框架结构上施加第一层预载；

将第一层框架结构的构件的连接节点的连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态，卸除第一层预载；

组装第二层框架结构，然后调整第二层框架结构的构件的连接节点的连接状态为第一连接状态，然后在第二层框架结构上施加第二层预载；

将第二层框架结构的构件的连接节点的连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态，卸除第二层预载；

组装第三层框架结构，然后调整第三层框架结构的构件的连接节点的连接状态为第一连接状态，然后在第三层框架结构上施加第三层预载；

将第三层框架结构的构件的连接节点的连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态，卸除第三层预载；

以此类推，组装第四层框架结构，然后调整第四层框架结构的构件的连接节点的连接状态为第一连接状态，然后在第四层框架结构上施加第四层预载；

将第四层框架结构的构件的连接节点的连接状态由第一连接状态调整为第二连接状态，卸除第四层预载；

在四层框架结构均组装且卸载完成后，保持第一层框架结构、第二层框架结构、第三层框架结构、第四层框架结构的第二连接状态不变，在第一层框架结构、第二层框架结构、第三层框架结构、第四层框架结构上施加荷载。

由此可知，本发明通过这种将荷载后于预内力措施施加的方式，可使多层框架结构的构件受到的内力(如弯矩)有所均化。

104、计算所述当前框架结构(当前层框架结构及其下各层框架结构)在当前层预载作用下的内力；以及，计算所述当前框架结构在卸除当前层预载作用下的内力；以及，计算所述多层框架结构在荷载作用的内力；以及，叠加上述所有的内力，得到目标内力。

以该多层框架结构为两层为例来进行说明，其可采用以下方式：

计算第一层框架结构在第一层预载作用下的内力，然后计算第一层框架结构在卸除第一层预载作用下的内力。

然后，将第二层框架结构与第一层框架结构结合形成当前框架(当前整体框架)，在此基础上，计算当前框架在第二层预载作用下的内力，然后计算当前框架在卸除第二层预载作用下的内力；

最后计算该多层框架在荷载作用下的内力，将上述内力叠加，即可得到该多层框架结构的目标内力。

可以得知的是，在计算第一层框架时，因其以下并无其他框架，所以直接计算第一层框架即可，同时，因第一层框架在第一层预载作用时，其构件节点连接状态为第一连接状态，因此，在第一层预载作用计算出来的内力是第一层框架的构件节点位于第一连接状态的内力。同理，卸除第一层预载作用内力时，其构件节点处于第二连接状态，因此，在卸除第一层预载作用计算出来的内力是第一层框架在第二连接状态下的内力。

类似的，对于计算第二层框架结构及第一层框架结构在第二层预载作用时的内力也是一样，此时，计算的是第二层框架结构及第一层框架结构在第二层框架结构为第一连接状态下的内力。其中，第一层框架结构已经在上述完成了组装保持为第二连接状态。而对于计算第二层框架结构及第一层框架结构在卸除第二层预载作用下的内力，其此时计算的是第二层框架结构及第一层框架结构在第二连接状态下的内力。

同理，计算多层框架结构在荷载作用下的内力，也是计算的多层框架结构在第二连接状态的内力。

由上述可知，每一层框架结构上施加的预载的分布可以是相同的也可以是不相同的，因此，对于该每一层框架结构而言，其在预载作用下的弯矩同样可以是相同或不同的，这取决于多层框架的荷载及该每一层框架结构的连接节点约束个数是否相同，以及，施加的预载的分布是否相同。

同样以多层框架结构为i层为例，则对于第一层框架结构而言，其第一层荷载为q₁，第一层预载为p₁，第i层预载为p_i，第i层荷载为qi。其中，q₁≥p₁≥0，q_i≥p_i≥0。即，在本实施例中，第一层预载可取值为0，则相当于此时第一层框架结构未受到第一层预载的作用。同样的，对于该第i层框架结构而言，该第i层预载同样可取值为0，此时，第i层框架结构未受到第i层预载的作用。

由此可知，对于该多层框架结构而言，在实际施加预载时，可选择其中任意一层施加，或者任意一层不施加，具体可根据多层框架结构的实际荷载、实际结构和实际制造要求来调整。

由此可知，本发明的关键点在于，在荷载施加之前，在多层框架结构逐层进行组装中，逐层分阶段分状态施以预内力措施。该预内力措施就是在第一阶段(即第一连接状态下)预先施加与结构当前层(例如第一层或第i层)所受荷载方向一致的荷载，如，预堆载、预挂载。在第二阶段(即第二连接状态下)又卸除预载。通过分状态的预载与卸载，在框架结构受荷载前，使得框架结构产生一种有利于消减内力弯矩的内力弯矩，称作预内力弯矩。

逐层分状态施加预内力的关键在于，当前层的梁柱节点分阶段连接，形成双态(不同连接状态)层，其可作用于当前层结构中内力比较大的梁柱节点。其中，第一阶段的连接状态，即第一连接状态，相当于将传统结构中端部内力较大的构件的节点约束，如弯曲约束，但不限于弯曲约束，暂不连接或部分暂不连接、暂时解除或部分解除。在第一阶段的状态下，对当前层施加与所受荷载方向一致的预载，在当前层产生一种预载内力，在以下各层产生传递内力(如弯矩)。与所受荷载的传统内力(如弯矩)，相比较，在预载作用下，该构件在解除约束或部分解除约束处不产生或部分产生内力(如弯矩)。相当于将当前层传统结构在第一阶段受预载作用下的构件在解除约束或部分解除约束处的预载内力(如弯矩)，消除或部分消除了。这样，在当前层，在传统内力的大幅值者处产生的内力(如弯矩)，较小甚至为零，小幅值者处产生的内力较大。

进一步地，当前层调整为第二连接状态后，即，第二阶段，则卸除预载，相当于施加一个与预载大小相等，方向相反的荷载，可称作反向预载，反向预载在当前层产生相应的反向预载内力，在当前层以下层产生传递反向预载内力(如弯矩)。

第一阶段预载与第二阶段卸载叠加，预载卸除归零，也就是反向预载将预载抵消为零。基于不同状态下，尽管预载与卸载产生的内力方向相反，但大小分布不同，故不会完全抵消。叠加过程中部分抵消，包括抵消后续上层预内力效应传递来的预内力后，剩余的内力，预先建立于传统结构荷载施加前，因此称之为预内力措施。

其中，预载是指预先施加的与所受荷载方向一致，分布相同或不同的任意荷载和/或作用。从分布特征区分，预载可包括分布荷载和/或集中荷载。从施加方法区分，预载可为预张拉力(简称预张)、或预压力(简称预压)、预对拉、预对压、或者其他荷载或作用。

以下将结合案例及图示来详细说明采用本发明的方案能够使得多层框架结构的构件受到的内力(以主要内力为弯矩为例)更加均化并计算得到多层框架结构的目标内力的过程。

如图1至图3所示，传统的多层框架结构(以四层为例，且多层框架结构为排架)在铰接时受竖向荷载作用下的弯矩图。

如图1所示，多层框架的结构的梁跨为l，多层框架结构的构件的节点分别为节点A、B，在竖向荷载作用下，首层排架的弯矩形状为近似抛物线，其中部节点为C₁，两端弯矩为0，中部节点C₁处的弯矩M_C11a＝q₁l²/8。第二层排架两端节点弯矩为0，中部节点C₂处的弯矩M_C21a＝q₂l²/8。第三层排架两端节点弯矩为0，中部节点C₃处的弯矩M_C31a＝q₃l²/8。第四层排架两端节点弯矩为0，中部节点C₄处的弯矩M_C41a＝q₄l²/8。

即，对于该排架而言，在铰接状态下，柱不产生弯矩，梁的弯矩呈抛物线状分布，梁端弯矩M_Ai＝M_Bi为零，跨中产生极大值弯矩M_Ci＝q_il²/8，梁端与跨中的弯矩幅差为极大值M_Cis＝ql²/8。

如图2所示，多层框架结构的两端节点分别为节点A、B，在横向荷载W₁、W₂、W₃、W₄作用下，每一层排架的两端弯矩分别为M_AW。即，在各层柱顶水平集中荷载(如风荷载、地震作用等)W_i作用下，横梁不产生弯矩，柱弯矩图呈线性分布如图2。上下层柱子弯矩是一种连续的折线状分布，顶层顶端弯矩为零，各层柱弯矩在其上一层柱弯矩的基础上持续增加，每层柱根弯矩远大于柱顶弯矩，底层柱根弯矩达到最大值，两侧柱子弯矩方向相同。

如图3所示，叠加图1和图2，得到竖向荷载与水平荷载同时作用下的弯矩图如图3，梁端与跨中的弯矩幅差很大，柱身全段弯矩幅差也很大。

例如，如图3所示，叠加后，第一层框架的跨中弯矩为M_C1s＝q₁l²/8；第二层框架的跨中弯矩为M_C2s＝q₂l²/8；第三层框架的跨中弯矩为M_C3s＝q₃l²/8；第四层框架的跨中弯矩为M_C4s＝q₄l²/8。

进一步地，参阅图4至图6，为四层框架结构在刚接状态下(即为框架)的弯矩图，其中，框架的梁跨度为l。

如图4所示，在满跨均布竖向荷载q_i作用下，框架梁的弯矩图仍呈抛物线状分布，两端产生极值负弯矩，跨中产生小幅正弯矩。例如如图4所示，在满跨均布竖向荷载q_i作用下，即在q₁、q₂、q₃、q₄作用下，首层框架梁梁端受到的弯矩为M_B1qa，跨中的弯矩为M_C1qa。第二层框架梁梁端受到的弯矩为M_B2qa，跨中的弯矩为M_C2qa。第三层框架梁梁端受到的弯矩为M_B3qa，跨中的弯矩为M_C3qa。第四层框架梁梁端受到的弯矩为M_B4qa，跨中的弯矩为M_C4qa。通常梁端负弯矩与跨中正弯矩的幅差很大，当然比梁柱铰接要好一些。

在各层柱顶水平集中荷载(如风荷载、地震作用等)W_i作用下，框架弯矩图如图5。梁弯矩为反对称直线状分布，梁端弯矩为极大值M_Biw，跨中弯矩为零。柱子弯矩图为分层直线状分布，上下层界面处反号不同侧，各层柱上下端弯矩不同侧。柱子顶端弯矩大于底端弯矩，这一特点与铰接状态是相反的。与梁柱铰接状态相比，柱端弯矩幅值要小一些，分布相对均匀一些，但也是极为不均。

例如，第一层框架的梁端弯矩为M_B1w，第二层框架的梁端弯矩为M_B2w，第三层框架的梁端弯矩为M_B3w，第四层框架的梁端弯矩为M_B4w。

叠加图4与图5，得到横向荷载W_i与竖向荷载q_i同时作用下的框架弯矩图如图6。叠加中，梁必有一端弯矩为同号相加，支座与跨中弯矩幅差进一步加剧；柱子必有一侧的柱顶及柱根弯矩也为同号相加，幅值增大，柱端与柱身弯矩幅差更大。考虑到风载及地震作用的方向可变性，两侧柱子都有同样的劣性。当然，如图6所示，框架结构刚接状态下的弯矩都比梁柱铰接(如图3所示)要好一些。

例如，叠加后，第一层框架的跨中弯矩为M_C1a，第一层框架的梁端弯矩为M_B1a，其中，第一层框架的梁端弯矩远大于第一层框架的跨中弯矩，即，M_B1a＞＞M_C1a。同理，第二层框架的跨中弯矩为M_C2a，第二层框架的梁端弯矩为M_B2a，其中，第二层框架的梁端弯矩远大于第二层框架的跨中弯矩，即，M_B2a＞＞M_C2a。同理，第三层框架的跨中弯矩为M_C3a，第三层框架的梁端弯矩为M_B3a，其中，第三层框架的梁端弯矩远大于第三层框架的跨中弯矩，即，M_B3a＞＞M_C3a。同理，第四层框架的跨中弯矩为M_C4a，第四层框架的梁端弯矩为M_B4a，其中，第四层框架的梁端弯矩远大于第四层框架的跨中弯矩，即，M_B4a＞＞M_C4a。

由此可知，采用一次生成连接刚度的连接状态承受全部荷载的框架结构，其内力分布极为不均。

案例一

以框架结构为梁柱结构，且为四层框架结构，分别为由下至上设置的第一层框架结构、第二层框架结构、第三层框架结构及第四层框架结构，每一层框架结构的构件间的连接状态相同，且第一连接状态为铰接，第二连接状态为刚接，该荷载为分布荷载，逐层组装，逐层施以预张力。其中，每一层框架的梁跨度均为l。

组装第一层，使得第一层的梁柱为铰接，即状态1，如图8所示。第一层框架在状态1，施加适量的向下预张力P₁，第一层框架梁产生折线状分布的弯矩图，两端支座弯矩M_A1P＝M_B1P为零，跨中为较大的正弯矩M_C1P。

第一层的第二阶段(第二连接状态)，假定梁柱连接调整为与比较对象(即传统框架的刚接状态一次生成且承受全部荷载q)相同的刚接状态，即状态2，如图9。卸去先前状态下所施加的预张力P₁，称作放张。与先前状态(第一连接状态)相比，相当于施加了大小相等，方向相反的预张力P₁’，产生的弯矩正负分布相反。由于梁柱节点刚度由零增大为全刚度，预张与放张产生的弯矩分布曲线是不同的。放张过程中，两端支座产生幅值相对较大的正弯矩M_A1P’＝M_B1P’，跨中产生幅值相对较小的负弯矩M_C1P’。梁柱节点弯矩平衡产生柱近端较大弯矩，传递柱远端产生较小弯矩。

从预张到放张，这个过程中，预张力完全归零，但由于两个阶段的状态不同，梁柱构件产生的弯矩不可能消失，而在其内部储存了一定量的弯矩，称作预内力弯矩。预内力弯矩呈全跨正弯矩的折线状分布；柱子近端为一定量的内侧弯矩，远端为一定量的外侧弯矩，如图10。叠加后的跨中弯矩为M_C1PP’，叠加后的梁端弯矩为M_B1PP’。这恰巧与传统的梁端较大负弯矩互为消减，与传统的梁跨中较小正弯矩叠加，与传统的柱端弯矩消减，使传统弯矩分布得以消减均化改善。

在实际制造中，若首层无法对张，预张时，可以采用地面配重，或地面设置临时反力梁等措施。

第二层组装并预张：

组装第二层，使梁柱为铰接，即状态1，如图11。在第二层状态1，对第二层框架施加适量的向下预张力P₂，框架梁产生折线状分布的弯矩图，梁端弯矩M_A2P＝M_B2P为零，跨中为较大的正弯矩M _C2P。

第二层的第二阶段(第二连接状态)，假定梁柱连接调整为与比较对象相同的刚接状态，即状态2，如图12。卸去先前状态下所施加的预张力P₂，即放张。与先前状态相比，相当于施加了大小相等，方向相反的预张力P₂’，产生的弯矩正负分布相反。由于梁柱节点刚度由零增大为全刚度，预张与放张产生的弯矩分布曲线是不同的。放张过程中，两端支座产生幅值相对较大的正弯矩M_A2P’＝M_B2P’，跨中产生幅值相对较小的负弯矩M_C2P’。梁柱节点弯矩平衡产生柱近端较大弯矩，传递柱远端产生较小弯矩。

从预张到放张，这个过程中，预张力完全归零，但由于两个阶段的状态不同，梁柱构件产生的弯矩不可能消失，而在其内部储存了一定量的预内力弯矩。预内力弯矩呈全跨正弯矩的折线状分布；柱子近端为一定量的内侧弯矩，远端为一定量的外侧弯矩，如图13。叠加后的跨中弯矩为M_C2PP’，叠加后的梁端弯矩为M_B2PP’。这恰巧与传统的梁端较大负弯矩互为消减，与传统梁跨中的较小正弯矩叠加，与传统的柱端弯矩消减，使传统弯矩分布得以消减均化改善。

张拉方法可以采用与下层梁对拉的方法。在该层的张拉与放张过程中，由于下层梁柱连接状态不变，又处于弹性阶段，故在下层梁柱产生的内力及变形也完全消失。

以此类推，依次组装第三层，施加第三层预载，卸除第三层预载，以及组装第四层，施加第四层预载以及卸除第四层预载。

组装形成的四层框架全部处于第二连接状态，施加荷载作用产生的内力与传统的框架结构受荷载作用产生的内力相同(如图6)所示。

利用结构理论的叠加原理，叠加上述第一层预载的预内力图10和第二层预载的预内力图13以及类推的第三层、第四层预载的预内力图，得到四层框架的预内力图14。然后，再将预内力图14与传统计算方法得到的内力(如图6)叠加，即可得到最终弯矩图15，如图15所示，该多层框架结构的峰值锐减。当两个阶段两种状态的刚度比例合适，采取的预载比例系数比较理想时，消减均化效果甚至可以取得比较理想的框架梁全跨正负弯矩幅值，并使得框架柱端弯矩也会相应减小。实现材料，尤其是钢结构材料性能的充分发挥，经济性更有利于钢结构推广，有利于工业化。

案例二

依然采用四层框架，逐层组装，逐层分阶段形成铰接半刚接刚度(即第一连接状态为铰接，第二连接状态为刚接)，逐层分阶段分状态施以预内力措施。

将上述案例一中第二阶段的刚接改为半刚接，就是案例二。

类似于案例一，只是第二阶段的刚度不同，预内力措施的效率不同，需要的预载大小不同，应用时可以根据实际条件选择。这里不再详细论证赘述。

案例三

四层框架，逐层组装，逐层分阶段形成半刚接-刚接刚度(即第一连接状态为半刚接，第二连接状态为刚接)，逐层分阶段状态施以预内力措施。

将案例一中第一阶段的铰接改为半刚接，就是案例四。

类似于案例一，只是第二阶段的刚度不同，预内力措施的效率不同，需要的加载阶段比例以及预载大小不同，应用时可以根据实际条件选择。这里不再详细论证赘述。

应用选择时，根据实际条件，可对不同楼层采用不同的连接组合，或者同一楼层不同节点采用不同的连接组合。

不难想象，梁柱结构，如多层多跨、高层框架结构，也包括部分框架结构，如框架剪力墙结构中的框架部分、挡土墙结构体系中的壁式框架等等。只要梁柱节点可以分成分阶段生成不同的连接状态，可以相应分阶段(两个状态)施加预内力措施，都可以采用本技术对于结构弯矩予以消减均化，结构弯矩峰值锐减，幅差减小，材料性能得以充分发挥，更为经济，或将误判为不可能的梁柱结构变为可能。

本发明实施例提供的多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法，主要是通过在其承受的荷载施加之前，逐层组装并逐层分阶段施加预载和卸除预载，最后再施加荷载并将荷载内力以及预载、卸载内力叠加后，可实现有效减小框架结构的构件两端与构件中部的正负弯矩的幅差，进而有利于提高框架结构的受力性能和经济性，为框架结构的结构方案可行性提供了方向。

以上对本发明实施例公开的多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种多层框架结构的逐层组装逐层预内力及其计算方法，其特征在于，所述方法包括

计算所述多层框架结构的荷载；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多层框架结构的每一层框架结构的该层预载的方向相同，但分布相同或不同。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多层框架结构的每一层框架结构的该层预载与该层荷载的方向相同，但分布相同或不同。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一连接状态为未连接状态、铰接、半刚接或固接中的任一种，所述第二连接状态为半刚接、刚接或铰接；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第一连接状态时，每一层框架结构的所述构件节点的节点连接约束个数相同或不同；所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为第二连接状态时，每一层框架结构的所述构件节点的节点连接约束个数相同或不同。

6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，在计算所述多层框架结构的荷载时，所述多层框架结构的每一层框架结构的构件节点连接状态为传统连接状态；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多层框架结构的每一层框架结构在其对应层预载作用下的弯矩不同。

8.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，所述多层框架结构为地上结构时，所述多层框架结构为由下至上逐层组装，所述多层框架结构为地下结构时，所述多层框架结构为由上至下逐层组装。