福州大学-第6章-框架剪力墙结构

第六章高层框架-剪力墙结构设计第六章第一部分为什么选用框-剪结构型式框架和剪力墙的抗侧刚度可以用一榀截面尺寸为的剪力墙和一根截面尺寸为的框架柱进行比较来说明剪力墙截面惯性矩为框架截面的惯性矩为22005000mm2500500mm31122005000250101212wImm382500500625101212fImm1182501040062510wfII(a)通过楼板联系分开布置(b)框架的若干跨内嵌入剪力墙框－剪结构剪力墙的合理数量日本首先提出按单位建筑面积需要的剪力墙的长度来初步估算剪力墙的数量，称之为壁率法，得到壁率不小于每平方米楼面长度的要求有用剪力墙面积率来估算剪力墙的数量，即同一层剪力墙截面面积与楼面面积之比，提出面积率在3％～4％为宜50mm存在的问题在哪里？首先，这两种方法都没有考虑到楼层的高度和剪力墙的厚度其次，同样的长度和面积的剪力墙的布置不同时，刚度也有很大的差别剪力墙的合理数量一般来说，多设剪力墙对抗震有利，但是，剪力墙超过必要的限度，是不经济的墙太多，虽然有较强的抗震能力，但由于刚度太大，周期太短，地震作用要加大不仅使上部结构材料增加，还带来基础设计困难框剪结构中，框架的设计水平剪力有最低限值，剪力墙再增多，框架的材料消耗也不会再减少框剪结构的特点剪力墙提供刚度，框架构成自由灵活的空间剪力墙变形为弯曲型，框架变形曲线是剪切型楼板连接使得它们在同一楼层位移相同，不能自由变形在框－剪结构中，在结构的下部，由于剪力墙的水平抗侧刚度比框架柱大了许多，剪力墙承担大部分的水平剪力在框-剪结构中，框架部分的底部剪力为零，而纯框架结构的最大剪力在底部；实际带有剪力墙的框架结构，必须按框-剪协同工作来计算框剪结构的变形水平位移由层间位移和层高之比控制，而不是顶点位移控制层间位移最多值发生在0.4~0.8的总高度范围内的楼层框剪结构的剪力框架与剪力墙之间的楼层剪力分配和框架各楼层剪力分布情况，随楼层所处高度变化框架上下各楼层的剪力取用值比较接近，梁柱弯矩和剪力变化小，使得梁柱规格少，容易施工框剪结构的耗能由延性框架、刚度大的剪力墙和具有良好耗能性的连梁所组成，具有多道抗震防线根据抗震多道设防的原则，框架-剪力墙结构的屈服顺序是：连梁、剪力墙、框架柱剪力墙的布置均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间以及平面形状变化部位当平面形状凹凸较大时，剪力墙宜在凸出部分的端部附近布置，加强结构的整体性剪力墙的布置剪力墙宜布置在恒载较大的部位，竖向荷载可以避免墙肢出现偏心受拉的不利状态在长矩形平面的建筑中，为避免楼盖中部梁板因混凝土的收缩和温度变化而出现裂缝，纵向剪力墙不宜集中在房屋的两尽端剪力墙的布置单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平力的40％，以免受力过分集中楼盖结构在其自身平面内的刚度必须得到保证，以避免影响框架和剪力墙协同工作，所以剪力墙的间距宜满足规范要求楼盖开洞应再减少剪力墙的间距布置原则：“均匀、分散、对称、周边”均匀分散指剪力墙宜片数多，均匀分散布置在建筑平面上对称，为使水平力作用线尽可能靠近刚度中心，避免产生过大扭转周边布置为提高其抗扭能力端部设墙可以避免楼板外挑长度过大抗震设计，两主轴方向侧向刚度接近剪力墙的布置主体结构构件除个别节点，采用刚接，以保证整体几何不变和刚度发挥梁柱、柱墙的中线宜重合，使得内力传递和分布较合理且保证节点核心区完整性适用的高度和高宽比一般框剪结构和框架-筒体结构都有高宽比限制为防止侧向变形过大、非结构构件破坏、防止整体倾覆、尤其地基不好的情况下，框剪结构不宜超过高度限制框-剪结构中的梁有几种？两端与框架柱相连的普通框架梁C剪力墙之间连梁A一端与剪力墙相连、另一端与框架柱相连的梁B，此应作刚度折减注意点B梁在水平力作用下，会首先开裂和屈服，进入弹塑性状态，因此应设计成强剪弱弯刚度折减系数不宜小于0.5第六章第二部分方程及解法第六章框架-剪力墙结构设计（一）基本假定：楼板在自身平面内的刚度无限大，同时，不考虑楼板平面外的刚度结构体型规则，在水平力作用下不计扭转的影响框架和剪力墙截面的几何特征和材料的物理特征值沿结构高度方向均匀分布采用连续连杆法，将框架和剪力墙之间的各连梁简化为在层高范围内沿竖向均匀分布的连续连杆剪力墙与框架之间的连接铰结体系框架和剪力墙通过楼板的作用连接在一起同一楼层标高处，两者的水平位移相同楼板平面外刚度为0，对各平面抗侧力结构不产生约束弯矩铰接体系计算简图剪力墙与框架之间的连接刚接体系框架和剪力墙通过楼板和连梁的作用连接在一起——总连杆同一楼层标高处，两者的水平位移相同剪力墙平面内的连梁对墙有转动约束，有约束弯矩；楼板的作用表现为：框架与总连杆铰结。刚接体系计算简图计算地震力对结构的影响纵向考虑纵向布置的剪力墙和纵向框架横向考虑横向布置的剪力墙和横向框架考虑另一方向的墙作为翼缘“弹性地基梁”变形连续条件：沿着高度范围内，剪力墙和框架的变形相同剪力墙：视作下端固定、上端自由的“弹性地基梁”框架：视作“弹性地基”与普通梁的区别与“地基”连续接触与“地基”共同变形，必须考虑“地基”的变形总框架抗侧刚度计算j层框架柱总抗侧刚度为该层所有框架柱抗侧刚度的总和jDD总框架抗侧刚度计算当第j层框架柱发生单位层间剪切角时，层间柱顶部所需要的剪力与抗侧刚度的关系：框架高度50m或宽度的4倍时，采用修正抗推刚度fjChDF0MFMNC总框架柱的层间剪力计算当层间剪切角为时，作用在总框架柱的层间剪力为：dyVCCfffdz总剪力墙等效抗弯刚度计算总剪力墙第j层所有剪力墙的等效抗弯刚度总和wjeqEIEI总剪力墙等效抗弯刚度计算如果各层剪力墙的刚度不相等但变化不大时，可以采用加权平均的方法计算总剪力墙的刚度：1mjwjjwhEIEIH一、按铰接体系框剪结构的内力计算——侧移曲线——外荷载——总框架对总剪力墙的弹性反力——总剪力墙的抗弯刚度44wfdyEIp(x)p(x)dxy(x)p(x)fp(x)wEI由计算假定可知，总框架和总剪力墙具有相同的侧移曲线——使总框架在楼层处产生单位剪切变形所需要的水平剪力4242fwwCdydyp(x)EIEIdxdxfC为了方便，可整理成一个四阶常系数非齐次线性微分方程424242wdydyHp()EIdd结构刚度特征值反映总框架和总剪力墙刚度之比的一个参数，对框剪结构的受力状态和变形状态及外力分配都有很大的影响fwCHEI框剪结构在均布、倒三角形分布、和顶部集中荷载作用下侧移曲线42242232233111211112261()shshychEIPHshchshchEI由位移函数可以确定剪力墙任意截面处的转角、弯矩和剪力dydx22wwdyMEIdx33wwdyVEIdx总框架的层间剪力ffdyVC=Cfdx总框架的剪力还可直接由总剪力减去剪力墙的剪力得到fpwVVV二、按刚接体系框剪结构的内力计算44wfmdyEIp(x)p(x)pxdx连梁与剪力墙相连处可用壁式框架的处理方法，将该处伸入墙的连梁刚度视为无限大。总连梁对总剪力墙约束刚度计算当连梁和剪力墙铰接时，则连梁对剪力墙不产生约束弯矩，不需要计算连梁的刚度当连梁和剪力墙形成形成刚性连接，连梁对剪力墙将产生约束弯矩。总连梁的刚度即为同一层所有连梁对剪力墙的约束刚度之和实际工程中，连梁的约束弯矩往往较大，因此可以考虑连梁的塑性变形能力，其方法是在内力分析中将连梁的刚度进行折减。在抗震设计中连梁刚度折减系数不宜小于0.55。刚接连梁刚域长度：从墙肢形心轴到连梁边距离-1/4连梁高度两端有刚域连梁的约束刚度123616(1)(1)bbiabmciab（）213616'(1)(1)bbiabmciab（）'212EIGAl不考虑剪切变形时，β=0一端有刚域连梁的约束刚度123616(1)(1)bbiamcia（）213616'(1)(1)bbiamcia（）'212EIGAl不考虑剪切变形时，β=0总连杆的约束刚度标高为z处同一楼层总连杆的约束刚度同一楼层总连杆的约束弯矩为n－同一楼层连杆的总数1nabibimCh1()()nabimmzzh连梁线性约束弯矩在总剪力墙相应高度的截面处产生的弯矩为HmxMmdx弯矩对应的剪力和荷载分别为剪力荷载——同一层内连梁总数——连梁总约束刚度11nnmabiabimiidMmmdyVmxdxhhdx221nmabimidVmdypxdxhdxn1nabiimh方程可以整理成4224221nabiwfimdydydyEIp(x)Chdxdxdx44wfmdyEIp(x)p(x)pxdx代回方程：刚接体系的刚度特征值1nabifiwmChHEI方程可以化为424242wdydyp()HEIdd公式与铰结体系相同结构刚度特征值λ不同剪力墙、框架剪力计算不同内力分配的计算按总框架侧移刚度和总连杆约束刚度分配剪力按各片墙的等效抗弯刚度分配内力按各柱的抗侧刚度D值分配剪力到各柱按框架梁的线刚度比分配弯矩到各框架梁按连梁的约束刚度分配弯矩到各连梁第六章第三部分框架-剪力墙结构的设计（二）一、侧向位移特征——反S型弯剪型二、刚度特征值的影响当刚度特征值很小时（例如），结构侧移曲线比较接近于剪力墙的侧移曲线；反之，当刚度特征值较大时（例如），结构侧移曲线比较接近于框架结构的侧移曲线；16结构侧移与刚度特征值λ的关系三、框-剪协同工作的设计要求单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40%；框架承担的总地震剪力应满足，不满足要求的楼层，其框架总剪力应按和二者的较小值采用；——结构底部总剪力——各层框架承担的地震总剪力oVfV15f,max.V02o.V02foV.V外荷载沿高度分布图框架、剪力墙承担剪力和荷载特点框架承受的荷载：上部为正、下部为负框架和剪力墙顶部剪力不为0框架的最大剪力值出现在结构中部，且随λ增大而下移因计算方法的近似性，框架底部剪力为0、全部剪力由剪力墙承担——不符合实际。四、截面设计剪力墙应有足够厚度保持其稳定性若墙板厚度不满足要求，则应验算墙板稳定性边框柱截面宜与该榀框架其他柱截面相同边框柱应符合有关的框架柱构造配筋要求暗梁配筋可按构造设置且应符合一般框架梁相应抗震等级的最小配筋要求4.1延性的要求非抗震设计，剪力墙的竖向和水平分布钢筋的配筋率均不应小于，抗震设计时均不应小于（并应至少双排布置）剪力墙底部加强部位边框柱的箍筋宜沿全高加密当带边框剪力墙上的洞口紧邻边框柱时，边框柱的箍筋宜沿全高加密02.%025.%4.2截面形状剪力墙的砼强度等级与边框柱相同与墙重合的边框梁可保留；也可做成宽度与墙厚相同的暗梁，暗梁截面高度可取墙厚2倍或与该片框架梁截面等高4.2截面形状抗震设计，一、二级剪力墙的底部加强部位不应小于，且不应小于层高的；在其他情况下，不应小于，且不应小于层高的200mm116/160mm120/4.3配筋细则各排分布筋之间应设拉筋，拉筋直径不应小于6mm，间距不应大于600mm剪力墙的水平钢筋应全部锚入边框柱内，锚固长度应足够长剪力墙为工字型截面，故端部的纵向钢筋应