《精编》建筑框架--剪力墙结构设计

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1、第7章框架 剪力墙结构设计 教材作者 史庆轩等课件制作 黄炜课件审查 课时安排 高层建筑结构的设计 标题 主要内容 主要内容 7 1结构布置 了解 7 2基本假定与计算简图7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析7 5框架 剪力墙结构内力计算步骤及计算实例 了解 重点 难点 7 1结构布置 7 1结构布置1 总体平面布置 竖向布置及变形缝设置等 见第2 2节所述 2 具体布置除应符合下述的规定外 其框架和剪力墙的布置尚应分别符合框架结构和剪力墙结构的有关规定 7 1结构布置 7 1 1基本要求1 双向抗侧力体系1 在框架 剪力墙结构中 框架与剪力墙协同工作共同抵抗水

2、平荷载 其中剪力墙是结构的主要抗侧力构件 2 为了使框架 剪力墙结构在两个主轴方向均具有必需的水平承载力和侧向刚度 应在两个主轴方向均匀布置剪力墙 形成双向抗侧力体系 3 如果仅在一个主轴方向布置剪力墙 将造成两个主轴方向结构的水平承载力和侧向刚度相差悬殊 可能使结构整体扭转 对结构抗震不利 2 节点刚性连接与构件对中布置1 在框架 剪力墙结构中 为了保证结构的整体刚度和几何不变性 同时为提高结构在大震作用下的稳定性而增加其赘余约束 主体结构构件间的连接 节点 应采用刚接 2 梁与柱或柱与剪力墙的中心线宜重合 以使内力传递和分布合理 且保证节点核心区的完整性 7 1结构布置 7 1 2框架 剪

3、力墙结构中剪力墙的布置 了解 1 剪力墙的数量1 在框架 剪力墙结构中 结构的侧向刚度主要由同方向各片剪力墙截面弯曲刚度的总和EcIw控制 结构的水平位移随EcIw增大而减小 3 一般以满足结构的水平位移限值作为设置剪力墙数量的依据较为合适 2 剪力墙数量也不宜过多 否则地震作用相应增加 还会使绝大部分水平地震力被剪力墙吸收 框架的作用不能充分发挥 既不合理也不经济 7 1结构布置 2 剪力墙的布置 参考课本 1 剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近 楼梯间 电梯间 平面形状变化或恒载较大的部位 剪力墙的间距不宜过大 平面形状凹凸较大时 宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙 2 纵 横向剪力墙宜组成

4、L形 T形和匚形等形式 以使纵墙 横墙 可以作为横墙 纵墙 的翼缘 楼 电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置 以增强其空间刚度和整体性 3 剪力墙布置不宜过分集中 单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总剪力的40 以免结构的刚度中心与房屋的质量中心偏离过大 墙截面配筋过多以及不合理的基础设计 当剪力墙墙肢截面高度过大时 可用门窗洞口或施工洞形成联肢墙 7 1结构布置 5 保证框架与剪力墙协同工作 其剪力墙的布置宜符合下列要求 1 横向剪力墙沿房屋长方向的间距宜满足表7 1 1的要求 当这些剪力墙之间的楼盖有较大开洞时 剪力墙的间距应适当减小 2 纵向剪力墙不宜集中布置在房屋的两

5、尽端 4 剪力墙宜贯通建筑物全高 避免刚度突变 剪力墙开洞时 洞口宜上 下对齐 抗震设计时 剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近 7 1结构布置 7 1 4梁 柱截面尺寸及剪力墙数量的初步拟定1 梁 柱截面尺寸框架梁截面尺寸一般根据工程经验确定 框架柱截面尺寸可根据轴压比要求确定 详见框架结构部分5 2 1 2 剪力墙数量在初步设计阶段 可根据房屋底层全部剪力墙截面面积Aw和全部柱截面面积Ac之和与楼面面积Af的比值 或者采用全部剪力墙截面面积Aw与楼面面积Af的比值 来粗估剪力墙的数量 7 1 3板柱 剪力墙结构的布置 略 7 2基本假定与计算简图 7 2基本假定与计算简图7 2 1

6、框架与剪力墙的协同工作1 定义 框架 剪力墙结构是由框架和剪力墙组成的结构体系 在水平荷载作用下 平面内刚度很大的楼盖将二者连接在一起组成框架 剪力墙结构时 二者之间存在协同工作问题 7 2基本假定与计算简图 2 特点 1 在水平荷载作用下 单独剪力墙的变形曲线以弯曲变形为主 单独框架的变形曲线以整体剪切变形为主 2 在框架 剪力墙结构中 其变形曲线介于弯曲型与整体剪切型之间 在结构下部 剪力墙的位移比框架小 墙将框架向左拉 框架将墙向右拉 在结构上部 剪力墙的位移比框架大 框架将墙向左推 墙将框架向右推 3 二者之间存在协同工作使框架 剪力墙结构的侧移大大减小 内力分布更趋合理 7 2基本假

7、定与计算简图 7 2 2基本假定与计算简图1 基本假定 1 楼板在自身平面内的刚度为无限大 这保证了楼板将整个结构单元内的所有框架和剪力墙连为整体 不产生相对变形 2 房屋的刚度中心与作用在结构上的水平荷载 风荷载或水平地震作用 的合力作用点重合 在水平荷载作用下房屋不产生绕竖轴的扭转 注 1 在这两个基本假定的前提下 同一楼层标高处 各榀框架和剪力墙的水平位移相等 2 可将结构单元内所有剪力墙综合在一起 形成一榀假想的总剪力墙 总剪力墙的弯曲刚度等于各榀剪力墙弯曲刚度之和 把结构单元内所有框架综合起来 形成一榀假想的总框架 总框架的剪切刚度等于各榀框架剪切刚度之和 7 2基本假定与计算简图

8、2 计算模型1 分类 按照剪力墙之间和剪力墙与框架之间有无连梁 或者是否考虑这些连梁对剪力墙转动的结束作用 将框架 剪力墙结构分为 框架 剪力墙铰结体系 框架 剪力墙刚结体系 2 特点 1 框架 剪力墙铰结体系对于图7 2 3 a 所示结构单元平面 如沿房屋横向的3榀剪力墙均为双肢墙 因连梁的转动约束作用已考虑在双肢墙的刚度内 则总框架与总剪力墙之间可按铰结考虑 连杆是刚性的 即EA 反映了刚性楼板的假定 保证总框架与总剪力墙在同一楼层标高处的水平位移相等 7 2基本假定与计算简图 2 框架 剪力墙刚结体系框架 剪力墙刚结体系 对于图7 2 4 a 所示结构单元平面 沿房屋横向有3片剪力墙 剪

9、力墙与框架之间有连梁连结 当考虑连梁的转动约束作用时 连梁两端可按刚结考虑 其横向计算简图如图7 2 4 b 所示 总连梁代表 轴线3列连梁的综合 注 1 对于图7 2 3 a 和图7 2 4 a 所示的结构布置情况 当考虑连梁的转动约束作用时 其纵向计算简图均可按刚结体系考虑 2 框架 剪力墙结构的下端为固定端 一般取至基础顶面 当设置地下室 且地下室的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍时 可将地下室的顶板作为上部结构嵌固部位 7 2基本假定与计算简图 刚结体系 当连梁的刚度较大时 铰结体系 当连梁的刚度较小 或连梁的转动约束作用已考虑在双肢墙的刚度内时 7 2基本假定与计算

10、简图 1 总框架的剪切刚度1 定义 框架柱的侧向刚度 总框架的剪切刚度框架柱的侧向刚度D 使框架柱两端产生单位相对侧移所需施加的水平剪力 图7 2 5 a 总框架的剪切刚度Cf 使总框架在楼层间产生单位剪切变形 1 所需施加的水平剪力 图7 2 5 b 2 总框架的剪切刚度 7 2 3基本计算参数框架 剪力墙结构分析时 需确定总剪力墙的弯曲刚度 总框架的剪切刚度和总连梁的等效剪切刚度 7 2基本假定与计算简图 3 考虑柱轴向变形时框架的剪切刚度 7 2基本假定与计算简图 2 连梁的约束刚度框架 剪力墙刚结体系的连梁进入墙的部分刚度很大 因此连梁应作为带刚域的梁进行分析 剪力墙间的连梁是两端带刚

11、域的梁 图7 2 6 a 剪力墙与框架间的连梁是一端带刚域的梁 图7 2 6 b 7 2基本假定与计算简图 1 两端带刚域的连梁 2 一端带刚域的连梁 7 2基本假定与计算简图 3 连梁的线约束刚度 注 A 当第i层的同一层内有s根刚结连梁时 总连梁的线约束刚度为B 当各层总连梁的Cbi不同时 可近似地以各层的Cbi按高度取加权平均值 7 2基本假定与计算简图 3 剪力墙的弯曲刚度总剪力墙的等效刚度为结构单元内同一方向 横向或纵向 所有剪力墙等效刚度之和 即 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 连续栅片法是沿结构的竖向采用连续化假定 即把连杆作为连续栅片 这

12、个假定使总剪力墙与总框架不仅在每一楼层标高处具有相同的侧移 而且沿整个高度都有相同的侧移 从而使计算简化到能用四阶微分方程来求解 连续栅片法 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 将集中荷载在层高内连续化 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 7 3 1基本方程及其一般解1 基本方程 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 注 是一个与框架和剪力墙的刚度比有关的参数 对框架 剪力墙结构的受力和变形特征有重大影响 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 2 求解 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 7 3 2水平均布荷载作用下内力及侧移计算1 通解 2 约束条件 7 3框

13、架 剪力墙铰结体系结构分析 3 表达式 7 3框架 剪力墙铰结体系结构分析 7 3 3倒三角形分布水平荷载作用下内力及侧移计算 推导如前 略 7 3 4顶点集中水平荷载作用下内力及侧移计算 推导如前 略 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 相同之处 总剪力墙与总框架通过连杆传递之间的相互作用力 不同之处 刚接体系中连杆对总剪力墙的弯曲有一定的约束作用 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 7 4 1基本微分关系 1 把框架 剪力墙结构沿连梁的反弯点切开 注意反弯点位置 2 连梁的轴力体现了总框架与总剪力墙之间相互作用的水平力

14、qf z 3 把总连梁沿高度连续化后 连梁剪力就化为沿高度连续分布的剪力v z 基本假定 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 4 将分布剪力向剪力墙轴线简化 则剪力墙将产生分布轴力v z 和线约束弯矩m z 对总剪力墙截面形心取矩 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 1 平衡条件 求 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 2 总剪力墙内力与位移的微分关系 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 3 总连梁内力与位移的微分关系 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 4 总框架内力与位移的微分关系总框架剪力Vf与楼层间的剪切角 的关系如式 7 2 3 所示 7 4框架

15、剪力墙刚结体系结构分析 7 4 2基本方程及其解1 基本方程 注 1 式 7 4 8 即为框架 剪力墙刚结体系的微分方程 与式 7 3 2 形式上完全相同 2 与铰结体系的刚度特征值 式7 3 3 相比 上式仅在根号内分子项多了一项Cb 当Cb 0时 上式就转化为式 7 3 3 Cb反映了连梁对剪力墙的约束作用 将带入7 4 1中 得 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 7 4 2基本方程及其解2 求解 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 3 刚结与铰结体系比较 注 二者的不同之处主要体现在连梁对剪力墙的约束作用 7 4 3总框架剪力Vf和总连梁线约束弯矩m的另一种算法 略 7 4框架 剪力墙

16、刚结体系结构分析 7 4 4框架 剪力墙结构的受力和侧移特征1 结构侧向位移特征 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 2 荷载与剪力的分布特征 注 框架承受的荷载在上部为正 下部为负 这是因为剪力墙和框架单独承受水平荷载时 二者的变形曲线不同 当二者协同工作时 变形形式必须一致 因此二者间必然产生上述荷载形式 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 注 基底处框架不承担剪力 全部剪力由剪力墙承担 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 注 1 随 值增大 框架最大剪力位置 0向结构底部移动 通常在1 0 3 0范围内变化 因此框架最大剪力的位置大致处于结构中部附近 而不在结构底部 这与纯框架结构不同 2 与纯框架结构相比 框架 剪力墙结构中Vf沿高度分布相对比较均匀 这对框架底部受力比较有利 7 4框架 剪力墙刚结体系结构分析 3 连梁刚结对侧移和内力的影响 7 5框架 剪力墙结构内力计算步骤及计算实例 7 5框架 剪力墙结构内力计算步骤及计算实例7 5 1内力计算步骤 总框架 总连梁及总剪力墙内力 7 5框架 剪力墙结构内力计算步骤及计算实例 构件内力 1 框架梁柱内力根据各层框架的总剪力V