框架-剪力墙结构.ppt

第二十讲 框架 剪力墙结构 1 框架 剪力墙结构组成及受力特点 框架结构有较大的自由灵活的使用空间 剪力墙则可 提供很大的抗侧刚度 以减少结构在水平作用下的侧向 位移 提高结构的抗震能力 因此 框架 剪力墙结构 具有很广泛的适用范围 图15 37为框架 剪力墙结构的布置方案 示例 在框架 剪力墙结构中 框架和剪力墙同时承受竖向 荷载和侧向力 在竖向荷载作用下 框架和剪力墙分别 承担其受荷范围内的竖向力 在侧向力作用下 框架和 剪力墙协同工作 共同抵抗侧力 由于框架和剪力墙单 独承受侧向力时的变形特性完全不同 因此 侧向力在 框架和剪力墙之间的分配 不但与框架和剪力墙之间的 刚度比有关 而且还随着高度而变化 当侧向力单独作用于框 架结构时 结构侧移曲线呈剪切型 如图15 38 a 当侧向力单独作用手 剪力墙结构时 结构侧向位移曲线呈弯曲型 如图15 38 b 当侧向力作 用于框架 剪力墙结构时 由于楼盖结构的连接作用 若不发生结构的整体扭 转 则框架与剪力墙在各楼层处必须具有相同的侧向位移 协调后的结构侧 向位移曲线如图15 38 C 所示 呈弯剪型 由此可见 框架与剪力墙对整个结构侧移曲线的 影响 沿结构高度方向是变化的 在结构的底部 框架结构层间位移较大 剪力墙结构的层间位 移较小 剪力墙发挥了较大的作用 框架结构的 变形受到剪力墙结构的 制约 而在结构的顶部 框架结构层间位移较小 剪力墙结构层间位移 较大 剪力墙受到框架结构的 扶持 作用 如图 15 38 c d 所示 上述框架和剪力墙之 间的相互作用是借助于楼盖结构平面内的剪力实 现的 因此 在框架 剪力墙结构中 楼盖结构 的整体性和平面内刚度必须得到保证 2框架 剪力墙结构中剪力墙的数量及布置 1 剪力墙的合理数量 在框架 剪力墙结构中 剪力墙的数量直接影响到整个结构的抗 震性能和土建造价 剪力墙布置得多 结构的抗侧刚度大 侧向 位移小 但材料用量增加 同时由于结构自振周期缩短 结构自 重增大 导致地震反应随之加大 即侧向力变大 反之 剪力墙 布置得少 材料用量减少 由于结构较柔 自振周期变长 地震 反应即地震作用力变小 但结构抗侧刚度小 侧向位移较大 地 震后结构开裂或破坏严重 在扩大初步设计阶段或作为结构设计的原则 剪力墙的 布置应满足结构抗侧刚度的要求 即通过计算校核结构 顶点位移及结构最大层间位移分别满足高规限制值的同 时 应控制结构的自振周期在一个合理的范围内 一般 认为当结构基本自振周期T 0 1 0 15 n n为结构 层数 时 剪力墙的数量和构件截面尺寸较为合理 2 框架 剪力墙结构中剪力墙的布置宜符合下列要求 1 剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近 楼梯间 电梯间 平面形状变化及恒载较大的部位 剪力墙间 距不宜过大 2 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 3 纵 横剪力墙宜组成L形 T形和 形等型式 4 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 5 剪力墙宜贯通建筑物的全高 宜避免刚度突变 剪力墙开洞时 洞口宜上下对齐 6 楼 电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结 合布置 7 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 3 楼盖结构的作用与布置 框架与剪力墙的协同工作需要由楼盖结构来保证 在 框架 剪力墙结构中 楼盖的作用有时仅传递水平推力 不传递平面外弯矩和剪力 相当于铰接刚性连杆 有 时既传递水平推力又传递弯矩 相当于连系梁 这在分 析中应根据结构布置的具体情况确定 首先 为了保证框架与剪力墙能够共同承受侧向力 楼盖结构在其自身平面内的刚度必须得到保证 以结构 底部为例 由于剪力墙的抗侧刚度比框架的抗侧刚度大 得多 当它们受到相同侧向外力作用时 在同一楼面处 剪力墙的侧向位移比框架小得多 这时楼盖结构可看 成是支承于相邻两榀剪力墙上的深梁 见图15 39 为 了保证框架与剪力墙在侧向力作用下的空间协同工作性 能 应限制楼盖这根水平深梁的挠度 这一方面要保 证楼盖本身的结构整体性 避免在楼面内开过大的洞口 另一方面应控制剪力墙之间的间距 使之满足表15 12的要求 表中 B为楼盖结构的宽度 当剪力墙间距小于表15 12限值时 楼盖结构在其自身平面内的 刚度可视为无穷大 即结构受力后楼盖仅发生平面内的刚体位移 其次 框架 剪力墙结构中的内力分布也受到楼盖结构平面外刚度 的影响 如图15 40 a 所示 如各榀框架和剪力墙均不在一条直线上 楼盖的作用相当于仅传递水平推力 不 传递平面外弯矩和剪力的铰接刚性连杆 这一类结构方案称为框架 剪力墙结构 铰接体系 如剪力墙和框架位于同一竖向平面内而且有连梁相连 则在连梁内除轴向力外 还将在框架与剪力墙之间传递竖向平面内的剪力和弯矩 该剪力将分别在框架柱 和剪力墙内产生轴向拉力和压力 所形成的弯矩将平衡一部分外力所产生的弯矩 这一类结构方案称为框架 剪力墙结构刚接体系 4 框架 剪力墙结构可采用的组合形式 1 框架与剪力墙 单片墙 联肢墙或较小井筒 分开布置 2 在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙 带边框剪力墙 3 在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙 4 上述两种或三种形式的混合 5 框架剪力墙结构设计中的几个问题 1 抗震设计的框架 剪力墙结构 在基本振型地震作用下 框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力 矩的50 时 其框架部分的抗震等级应按框架结构采用 柱轴压比限值宜按框架结构的规定采用 其最大适用 高度和高宽比限值可比框架结构适当增加 2 抗震设计时 框架 剪力墙结构对应于地震作用标准 值的各层框架总剪力应符合下列规定 1 满足高规 8 1 4 式要求的楼层 其框架总剪力不 必调整 高规不满足 8 1 4 式要求的楼层 其框架总 剪力应按0 2V0和1 5Vf max二者的较小值采用 Vf 0 2V0 8 1 4 2 各层框架所承担的地震总剪力按本条第1款调整后 应按调整 前 后总剪力的比值调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力及 端部弯矩标准值 框架柱的轴力标准值可不予调整 3 按振型分解反应谱法计算地震作用时 本条第1款所规定的调 整可在振型组合之后进行 3 框架 剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系 抗震设计时 结 构两主轴方向均应布置剪力墙 4 框架 剪力墙结构中 主体结构构件之间除个别节点外不应采 用铰接 梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合 框架梁 柱中心线 之间有偏离时 应符合本规程第6 1 3条的有关规定 5 长矩形平面或平面有一部分较长的建筑中 其剪力墙的布置尚 宜符合下列要求 1 横向剪力墙沿长方向的间距宜满足表8 1 8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尽端 6 框架 剪力墙结构计算 1 基本假定 在确定结构计算简图时 采用如下假定 1 楼盖结构在其自身平面内的刚度为无穷大 2 侧向力的合力通过结构的抗侧刚度中心 即结 构平面没有整体扭转 3 框架与剪力墙的结构刚度参数沿结构高度方向 均为常数 由前两条假定可以推出 在侧向力作用下 框架 剪力 墙结构仅有沿外力作用方向的平移 在同一楼层标高处 各榀框架或剪力墙的侧移量都是相等的 这样就可把 所有的框架等效为综合框架 把所有剪力墙等效为综合 剪力墙 并将综合框架和综合剪力墙移到同一纸平面内 进行分析 框架 剪力墙结构铰接体系计算简图如15 41 a 框架 剪力墙结构刚接体系计算简图如15 43 a 综合框架的刚度为所有框架刚度之总和 综合 剪力墙的刚度也为所有剪力墙的刚度之总和 对于框架 剪力墙结构刚接体系 某一层内综合连梁的刚度 为 该层内水平力作用方向上所有一端与剪力墙 另一端与 框架连接的梁或两端均与剪力墙相连的梁的刚度的总和 如果梁的纵轴线与水平力作用方向相垂直 则这根梁 的作用可忽略不计 其刚度不能计人综合连梁 如果梁 的两端均为框架或框架柱 那就是框架梁 不是连系梁 2 框架 剪力墙铰接体系的基本方程 1 框架 剪力墙结构铰接体系的计算简图如图15 41 a 所 示 在综合框架与综合剪力墙之间为代表楼盖作用的两端铰接的 刚性连杆 为求出侧向力p在综合框架与综合剪力墙之间的分配 可采用连续化方法 即将刚性连杆沿高度方向连续化 切断 并代之以等代的分布力pt 如图15 41 b 所示 脱离以后的综合剪力墙可看成是底部固定的悬臂梁 受侧向分 布力 p一pf 的作用 由材料力学可得到 15 44 式中 EIe为综合剪力墙的等效抗弯刚度 是各榀剪力墙的等效 抗弯刚度之和 y为结构的侧向位移 是高度Z的函数 2 对于综合框架 在D值法中 曾定义框架柱的两端发生单位 相对层间水平位移时所需的推力为D值 图15 42a 即当框架 柱两端相对层间位移为 u时 该柱所承受的剪力为 V D u 15 45a 在这里 令Cf为综合框架的抗推刚度 即综合框架沿竖向产生单 位剪切角时所需的剪力 15 45b 当框架沿高度方向产生单位剪切角 dy dz 1时 框架柱的相对 层间位移为 u h 见图 15 42b 将 u h代入式 15 45a 并与式 15 45b 相比较 可 知综合框架的抗推刚度Cf为 式中 是对综合框架某层所有框架柱求和 3 将式 15 45b 对Z微分一次 可得 15 47 由材料力学可知 将式 15 4 代入式 15 44 得 令 z H 则上式可写成 15 49a 式中 15 49b 式 15 49a 即为框架 剪力墙结构铰结体系的基本微分方程 式 中 是一个无量纲的量 称为框架 剪力墙结构刚度特征值 是反 映综合框架和综合剪力墙之间刚度比值的一个参数 是影响框架 剪力墙结构受力和变形的主要参数 3 框架 剪力墙刚结体系的基本方程 当考虑框架与剪力墙之间或剪力墙与剪力墙之间的梁 的转动约束作用时 在平面化力学模式中 综合框架与 综合剪力墙之间就应该用综合连梁来连接 如图15 43 a 所示 这种结构称为框架 剪力墙结构刚接体系 1 将综合连梁连续化 截断后 所加的等效力 除轴 向分布力pf以外 还有分布剪力 f 如图15 43 b 所 示 截断后 对于综合框架部分 可近似地忽略 f的作 用 而仅考虑pf的作用 即对于综合框架 仍有 2 脱离以后的综合剪力墙 由于综合连梁内分布剪力 的作用 将在剪力墙内产生沿竖向分布的线力矩m 称 为综合连梁的约束弯矩 图15 43 c 由材料力学可 得 3 综合连梁的约束弯矩m与结构侧向位移y之间的关系 可由带刚臂梁的分析得到 在前面已经导得 式 15 25 带刚臂梁 相当于某一根连梁 的杆端约束弯 矩与杆端转角的关系为 mb 6ci 这里i为连梁的线刚度 为梁端转角 在连续化后 应 把mb折算成沿高度方向分布的线力矩 则有 在图15 43 a 所示的计算力学模式中 把所有连梁 等效成综合连梁 因此综合连梁的线刚度应为所有连梁 的线刚度之和 综合连梁的约束弯矩mb为所有连梁的约 束弯矩之和 即 15 51 式中 是对连梁与剪力墙相交的结点数求和 令 15 52 为综合连梁的等效剪切刚度 并注意到 dy dz 代入式 15 51 可得 15 53 将上式代入式 15 50 即得 令 z H 则上式可写成 式中 式 15 54a 即为框架 剪力墙结构刚结体系的基本微 分方程 其形式与铰结体系的基本微分方程式 15 49a 完全一样 但须注意 二者的结构刚度特征值 的 计算公式不同 4 框架 剪力墙结构的内力与位移计算 1 计算公式 式 15 49a 或式 15 54a 为四阶常系数线性微分方程 其 一般解为 式中y1是特解 由荷载形式确定 A B C1 C2是四个积分常数 由综合剪力墙的边界 条件确定 求得侧移量y的表达式后 由材料力学受弯梁的分析可知 梁内弯 矩M 剪力V与梁挠曲线之间的关系为 综合剪力墙除受到线分布力 P一Pf 作用以外 在刚结体系中 还受到线分布力矩mb的作用 且mb的方向与分布力 P一Pf 在 剪力墙内产生的弯矩的方向相反 因。