4-1.2.3--混合结构房屋墙体设计

第四章混合结构房屋墙体设计混合结构房屋的设计包括的内容:1)结构的布置和承重墙体系的选择；2)结构的静力计算方案和计算简图的确定；3)墙柱承载力验算和高厚比验算；4)房屋整体及各部件的构造设计。其中内容2)、3)需着重解决．本章将对以下问题做系统论述:(η→方案→简图→内力)a)空间受力性能；b)静力计算方案；c)结构计算简图；d)内力计算方法。e)墙柱高厚比的验算方法。一、混合结构房屋的组成及结构布置方案1.混合结构房屋的组成混合结构：砌体；钢筋混凝土．墙体：承重与非承重；纵横墙；内外墙．承重体系：水平承重构件(楼屋盖)与竖向承重构件(墙柱)+地基基础+附加构件(楼梯等)．空间结构：含建筑、结构功能及经济要求．一、混合结构房屋的组成及结构布置方案(续1)２.混合结构房屋的结构布置方案按竖向荷载的传递路线划分为:(1)横墙承重方案(图4.1)：整体性差(2)纵墙承重方案(图4.2)：可调整地基不均匀沉降(3)纵横墙承重方案(图4.3)：整体性好，空间刚度大(4)内框架承重方案(图4.4)：基础沉降不均匀(5)底层框架承重方案(新规范不再推荐采用)结构选型是设计的基础，关系到建筑、结构、施工与造价，应多做比较后确定。二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(1)空间作用的基本概念竖向荷载下，为偏压构件；水平荷载下(如作用于纵墙)，纵墙为平面外的受弯构件；楼屋盖为平面内弯剪构件(深梁)；横墙为嵌固于基础的竖向悬臂弯剪构件，且在自身平面内有很大的抗侧刚度．横墙承重体系水平荷载主要由楼屋盖传递给横墙承担，纵墙四边具有可靠的支承，故弯距甚小；而纵墙承重体系水平荷载则主要由纵墙承担，底层纵墙底部的弯距甚大．空间整体受力荷载传递路线二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(1)基本概念(续1)μpμp1)两端没有山墙变形特点：由于没有山墙，单元之间没有相互制约作用，每开间受力相同，墙顶水平位移与房屋长度无关，沿纵向处处相等．传力路径：风载→纵墙→纵墙基础→地基计算简图：纵墙排架柱上端与屋盖梁铰接，下端嵌固于基础的平面排架．平面排架二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(1)基本概念(续2)μs≤μpμ2,maxμ12)两端有山墙，但相距甚远变形特点：纵墙顶端的水平位移与屋盖的刚度、长度，以及山墙的刚度密切相关，其大小等于山墙的侧移μ1和屋盖梁水平挠度μ2的总和，且中间计算单元最大，近山墙处最小．μs，max＝μ1＋μ2,max≤μp传力路径：风载→纵墙→［纵墙基础］［屋盖梁→山墙→山墙基础］→地基计算简图：具空间工作特征，计算单元可视作具弹性支柱的平面排架．弹性支柱的刚度反映了房屋的空间刚度．具弹性支座的平面排架二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(1)基本概念(续3)μ２μ2，max3)山墙相距较近或横墙承重变形特点：横墙较多，屋盖梁跨度甚小，虽有变形但其值很小，可假定横墙的侧移μ1=0，且屋盖梁的变形值μ2,max甚小．传力路径：风载→纵墙→［纵墙基础］［屋盖梁→横墙→横墙基础］→地基计算简图：可视作上端为不动铰支承，下端嵌固于基础的竖向构件．具不动铰支承的平面排架二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(2)房屋的空间性能影响系数η1)物理意义η=μs,max/μp≤1反映房屋结构的空间作用，实现将空间结构转化为平面结构的计算．η↗，房屋结构的空间作用↘．μs,max=ημp反映房屋结构考虑空间工作后的侧移折减．二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(2)空间性能影响系数η(续1)2)η的影响因素a)楼屋盖的水平刚度：取决于其整体性、截面宽度和厚度．(P87表4.1与P88表4.2，分三类)b)横墙的刚度和间距s：μ1和μ2,maxc)房屋的跨度(经试验，可忽略)d)排架的刚度(实测表明其影响不明显)e)纵墙的刚度：提高综合剪切刚度[P87表4.1中的η值虽用a)、b)因素反映，但其中已考虑e)]．二、混合结构房屋的静力计算方案1.房屋的整体空间作用(3)多层砌体房屋结构的空间性能影响系数ηim21R1m22R2m11R1m12R2V21V22V11V12多层房屋的空间作用强于单层房屋，其空间作用除同层相互作用外还存在层间相互作用，可用主副空间系数加以考虑，但用于计算将非常复杂，故偏于结构安全和计算方便，作了两项简化：a)不考虑层间相互作用；b)第i层的ηi取对应单层房屋相同的η值．多层砌体房屋结构的空间作用Ｒ2Ｒ1二、混合结构房屋的静力计算方案2.房屋静力计算方案的划分三种静力计算方案及其计算简图弹性方案不考虑空间工作的平面排架μp刚弹性方案具弹性支座的平面排架μs＝ημp刚性方案具不动铰支承的平面排架二、混合结构房屋的静力计算方案2.房屋静力计算方案的划分(续1-3合页)三种静力计算方案确定：均按纵墙承重结构房屋划分确定的，横墙为主要抗侧力构件；将屋盖看作排架横梁，忽略其轴向变形；假定屋盖和墙顶之间的节点为铰接，即不考虑墙柱对屋盖的约束作用，形成的是平面排架．划分目的：按实际情况考虑房屋结构存在的空间作用，并把空间结构转化成平面结构来计算．实现这一转化的途径，是在计算中考虑空间性能影响系数η．静力计算方案选用：横墙间距s的单位为m，当计算横墙内力时，应将纵墙间距代替横墙间距作为划分静力计算方案的依据；无山墙或伸缩缝处无横墙的房屋，按弹性方案考虑；此外还应考虑刚性与刚弹性方案的横墙．二、混合结构房屋的静力计算方案2.房屋静力计算方案的划分(续1)三种静力计算方案的确定：•假定屋盖和墙顶之间的节点为铰接．即不考虑墙柱对屋盖的约束作用，形成的是平面排架．•将屋盖看作排架横梁，忽略其轴向变形．•三种方案均按纵墙承重结构房屋划分确定的，即是计算纵墙内力时所需要的．此时横墙为主要抗侧力构件．•当计算山墙内力或横墙承重结构中横墙内力时，纵墙便成为主要抗侧力构件．此时应将纵墙间距代替横墙间距作为划分静力计算方案的依据．二、混合结构房屋的静力计算方案2.房屋静力计算方案的划分(续2)三种静力计算方案划分的目的：按实际情况考虑房屋结构存在的空间作用，并将空间结构转化成平面结构来计算．实现这一转化的途径，是在计算中考虑空间性能影响系数η．二、混合结构房屋的静力计算方案2.房屋静力计算方案的划分(续3)静力计算方案选用时注意：•横墙间距s的单位为m．•无山墙或伸缩缝处无横墙的房屋，按弹性方案考虑．•此外，还应考虑刚性与刚弹性方案的横墙．二、混合结构房屋的静力计算方案3.刚性与刚弹性方案的横墙(1)刚性与刚弹性方案的横墙应符合的要求1)横墙中开有洞口时，洞口的水平截面面积不应超过横墙截面面积的50%．2)横墙的厚度不宜小于180mm．3)单层房屋的横墙长度不宜小于其高度，多层房屋的横墙长度不宜小于其H/2(H为横墙总高度)．当横墙不能同时符合上述要求时，应对横墙的刚度进行验算．如其最大水平位移值μmax≤H/4000时，仍可视作刚性与刚弹性方案的横墙．符合上述刚度要求的一段横墙或其它结构构件(如框架等)，也可视作刚性与刚弹性方案的横墙．二、混合结构房屋的静力计算方案3.刚性与刚弹性方案的横墙(续1)一般框排架横墙侧移μmax=H/500~H/400,如果最大水平位移值μmax≤H/4000,可认为对框排架的内力影响可以忽略.另外据经验,当横墙间距很密,如开间为3.3m或3.6m,也可认为是符合刚性与刚弹性方案要求的横墙.规范中考虑横墙的间距s32m为刚性方案,较3.3m大近10倍.就开间为3.3m或3.6m的房屋来说,由横墙高长比引起的侧移值可能达不到s32m时的侧移值.二、混合结构房屋的静力计算方案3.刚性与刚弹性方案的横墙(续2)(2)横墙顶部最大水平位移μmax的计算方法n1n2n=(n1+n2)作用于横墙顶部的集中力P1=nP/2Hbf≤0.3H将横墙作为悬臂构件计算，并考虑其弯曲变形与剪切变形．单层房屋的横墙在水平荷载下的最大位移公式为：μmax=P1H3/3EI+ξP1H/GA(VH/G)=nPH3/6EI+ξnPH/2GA式中：n=n1+n2，V=ξP/A，G=0.4E,P1=n(W+R)/2=nP/2W–屋面R---均载引起每一开间的柱顶反力P=W+R计算简图n---相邻两横墙开间数二、混合结构房屋的静力计算方案3.刚性与刚弹性方案的横墙(续3)为计算方便，当门窗洞口的水平截面面积不超过横墙截面面积的75%时，横墙截面面积和惯性距均可按毛面积计算，洞口对刚度的影响在ξ取值中反映(取剪应力分布不均匀系数ξ=2.0).μmax=nPH3/6EI+2.5nPH/EA对于多层房屋的横墙，也可按上述原则计算，但此时横墙承受的水平荷载作用于各楼层处．度层楼面至基础顶面的高第层支座反力第房屋总层数iHiPmHPEAnHPEIniimiiimiii5.26113max对于刚弹性方案房屋，P1=n(1-η)P，故μmax=npH3(1-η)/6EI+2.5nPH(1-η)/EA三、墙、柱高厚比验算高厚比：墙、柱的计算高度H0与墙的厚度t或矩形柱截面边长h(或b)的比值，用β表示．为保证墙、柱施工与使用过程中的稳定性，以及在使用阶段不致发生过大变形而应具有的刚度，规范所规定的重要构造措施．高厚比β验算通常在墙、柱承载力计算之前进行，含有两方面的内容：•允许高厚比[β]的限值；•墙、柱高厚比β的确定．三、墙、柱高厚比验算1.墙、柱的允许高厚比(1)墙、柱高厚比的验算公式:β=H0/h≤μ1μ2[β]式中:μ1—-非承重墙允许高厚比的修正系数μ2—-有门窗洞口允许高厚比的修正系数[β]---墙、柱的允许高厚比限值墙、柱的允许高厚比限值与墙柱的承载力计算无关，而是从构造上给予的规定限值．主要是根据实践经验、现阶段的材料质量以及施工技术水平综合研究而确定的．三、墙、柱高厚比验算1.墙、柱的允许高厚比(续1)(2)墙、柱的允许高厚比限值(参见P92表4.4)(3)影响墙、柱允许高厚比的因素1)M(f2)：f2→E→EI→侧移→稳定性，规范按f2规定[β]2)横墙间距：s↘，EI↗，以H0考虑．3)构造的支承条件：与侧移有关(不动铰，弹性支座等)→稳定性，以H0考虑．4)截面型式：I↗，EI↗，以洞口修正系数μ2考虑．5)构件的重要性和房屋使用情况：非承重墙，[β]放宽；有振动房屋，[β]降低．6)构造柱间距及其截面：l与Ac↗，对墙体的约束↗，稳定性↗．以μc修正．7)砌体类型：组合砌体[β]放宽，毛石砌体[β]降低．三、墙、柱高厚比验算2.矩形截面墙、柱高厚比验算β=H0/h≤μ1μ2[β](1)厚度h≤240的自承重墙，允许高厚比[β]的修正系数μ1应按下列规定采用：a)h=240mmμ1=1.2b)h=90mmμ1=1.5c)90mmh240mmμ1可按插入法取值上端自由，还可提高30%．(P60)三、墙、柱高厚比验算2.矩形截面墙、柱高厚比验算(续1)(2)μ2—-有门窗洞口允许高厚比[β]的修正系数μ2=1-0.4bs/s≥0.7式中：bs---在宽度s范围内的门窗洞口总宽度s---相邻窗间墙或壁柱之间的距离当洞口高度小于或等于墙高的1/5时，可取μ2=1.0．当与墙连接的相邻两横墙间的距离s≤μ1μ2[β]h时，墙的高度可不受公式限制．变截面柱的高厚比可按上、下截面分别验算，其计算高度按P93所述的规定采用．验算上柱的高厚比时，[β]可按P92表4.3的数值乘以1.3后采用．三、墙、柱高厚比验算2.矩形截面墙、柱高厚比验算(续2)bss门窗洞口示意图ssw带壁柱墙验算图三、墙、柱高厚比验算3.带壁柱墙高厚比验算(1)整片墙β=H0/hT≤μ1μ2[β]hT－－hT=3.5i，i=(I/A)0.5H0－－以相邻横墙间距sw确定计算截面翼缘宽度bf：单层房屋，可取壁柱宽加2/3墙高，但不大于窗间墙宽度和相邻壁柱间距离．多层房屋，当有门窗洞口时，可取窗间墙宽度；当无门窗洞口时，每侧翼缘宽度可取壁柱高度