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1、第6章 框架剪力墙结构设计,框架-剪力墙结构的受力与变形特点框架-剪力墙结构的布置框架-剪力墙结构内力和位移的简化计算方法框架-剪力墙结构构件截面设计框架-剪力墙结构构造要求,6.1 框架-剪力墙结构概念设计,高层建筑中的纯框架结构或纯剪力墙结构，其受力特点和变形特性不同。剪力墙结构抗侧刚度较大，抗弯能力强，在侧向力作用下一般呈弯曲型变形，顶部附近楼层层间位移大。纯框架结构的构件稀疏且截面尺寸小，因而侧向刚度不大，在侧向荷载作用下，一般呈剪切型变形，结构下部楼层的层间位移较大。框架剪力墙结构中，平面内刚度很大的楼板将框架和剪力墙连接在一起，在同一楼层上位移相同，框架剪力墙结构在侧向荷载作用下，
2、变形呈弯剪型。,从框架剪力墙结构的变形曲线上看：下部：剪力墙变形增加了，框架变形减小了，剪力墙承担更多的剪力；上部：剪力墙变形较小了，框架变形增大了，框架承担更多的剪力。框架剪力墙层间变形：上部小于纯剪力墙结构；下部小于纯框架结构。,在框架结构中，水平力按各柱的抗侧刚度分配。在剪力墙结构中，水平力按各片剪力墙的等效抗弯刚度分配。在框架剪力墙结构中，水平力在框架和剪力墙之间的分配取决于框架和剪力墙的抗侧刚度，但又不是一个简单的比例关系，必须通过协同工作来分配。,框架剪力墙结构中的框架与纯框架结构受力不同。在纯框架结构中，框架所受的剪力是下面大，上面小，顶部为零，控制截面在下部楼层；框架剪力墙结构
3、中的框架所受到的剪力却是下部为零，下面小，上面大，控制截面变为中部甚至是顶部楼层。,框架-剪力墙结构的受力与变形特点（协同工作原理）,纯框架结构设计完成后，如果又增加了剪力墙，就必须按框架剪力墙结构重新计算，否则不能保证框架部分某些楼层的安全；如果在剪力墙结构中有剪力墙或电梯井等弯曲型变形结构，就必须按框架剪力墙结构进行内力分析。不考虑电梯井等进行内力分析，结果会使中部或上部楼层框架内力不符合实际情况，偏于不安全。,在结构设计中要注意以下几点：,框架-剪力墙结构的受力与变形特点,框架,剪力墙,框架-剪力墙,变形特点,荷载分配,剪力分布,两类协同工作计算方法,有限元法，借助计算机进行求解。剪力墙
4、简化为带刚域平面框架。可考虑结构的杆件的轴向、弯曲和剪切变形影响，建立在平面结构假定的基础上，计算结果比较准确；简化计算方法，手算求解，是一种比较实用的近似计算方法。在大多数比较规则的结构中应用此方法。但此方法忽略柱轴向变形，在高度较大的高层建筑中计算有误差。,框架剪力墙结构设计的一般规定,框架剪力墙结构中的结构布置、计算分析、截面设计及构造要求除应符合框架剪力墙结构的相关规定外，尚应分别符合框架及剪力墙有关章节的有关规定。框架剪力墙结构布置形式：框架与剪力墙分开布置；在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙(带边框剪力墙)；在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙；上述两种或三种形式的混合。,框架剪
5、力墙结构应设计成双向抗侧力结构体系。抗震设计时，结构两主轴方向均应布置剪力墙。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，要考虑受力偏心。剪力墙的布置：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；平面形状凸凹较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；纵、横剪力墙宜组成L形、T形和形；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；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；楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布
6、置；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。长矩形平面或平面有一部分较长的建筑物中，其剪力墙的布置尚应符合下列要求：横向剪力墙沿长方向的间距宜满足规程要求。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；纵向剪力墙不宜集中布置在房屋的两尽端。,两种计算图形,目的:确定如何归并总剪力墙，总框架，以及确定总剪力墙与总框架之间的联系和相互作用方式。有两类联系：通过楼板。楼板的作用是保证各片平面结构有相同的逶迤，但假定楼板平面外刚度为零因而它对各平面结构不产生约束弯矩，可以简化为铰接连杆。,铰接体系计算简图,通过联系梁。两片剪力墙通过连梁连接，连梁对剪力墙会产生约束弯矩，
7、连梁与剪力墙相连端为刚接，与框架相连端仍为铰接；一端与墙肢连，一端与框架柱相连的梁也称为连梁。如果连梁截面小、刚度小，约束作用弱，也可忽略对墙肢的约束作用，处理成铰接。,刚接体系计算简图,基本假定,楼板在自身平面内刚度无限大。此假定保证了楼板将整个计算区段内的框架和剪力墙连成一个整体，在水平荷载作用下，框架和剪力墙之间不产生相对位移；当结构体型规则、剪力墙布置对称均匀时，结构在水平荷载作用下可不考虑扭转的影响；不考虑剪力墙和框架柱的轴向变形及基础的转动。,框架剪力墙结构在内力分析时假定如下：,计算简图,框架剪力墙结构中的梁的类型：框架梁：普通框架梁，两端均与柱相连；连 梁：墙与墙之间的连梁 墙
8、与框架柱之间的连梁。,6.2 框架剪力墙结构铰接体系协同工作计算,框架-剪力墙结构在水平荷载作用下，外荷载由框架和剪力墙共同承担。外力在框架和剪力墙之间的分配由协同工作计算确定。协同工作计算采用连续连杆法。建立坐标系：坐标原点取在剪力墙底部，向上为轴正向，向右为轴正向。在图示的框架剪力墙结构计算简图中，将连杆切断后，在各楼层标高处框架和剪力墙之间存在相互作用的集中力Pfi。取出总剪力墙作为隔离体，总剪力墙上作用有外荷载P及框架和剪力墙之间的相互作用力Pfi。,总框架及总剪力墙刚度计算,总剪力墙刚度计算,总剪力墙中剪力墙数量,单片剪力墙的等效抗弯刚度,总框架刚度计算总框架的剪切刚度Cf为使总框架
9、在楼层间产生单位剪切变形时所需要的水平剪力。,当总框架各层抗侧刚度及总剪力墙各层等效抗弯刚度沿结构高度有变化，且变化不大时，可采用加权平均的方法计算总刚度。,d=1,h,D,框架抗推刚度,建立微分方程,将总剪力墙作为悬臂梁，其内力与弯曲变形之间的关系如下：,由剪切刚度Cf的定义可知，Cf为使总框架在楼层处产生单位剪切变形时所需的水平剪力。当总框架的剪切变形为q=dy/dx时，总框架层间剪力为,上式对x求导一次，并注意,则有,微分方程求解,微分方程的解包括两部分：相应齐次方程的通解y1和该方程的一个特解y2。,同理可以确定倒三角形分布荷载和集中荷载作用下的参数。,三种荷载作用下微分方程的解(结构
10、位移)如下：,总剪力墙内力计算,剪力墙的内力与水平向位移有如下关系：,总框架剪力计算,6.3 刚接体系协同工作计算,在框架剪力墙结构的铰接体系中，连杆对墙肢没有约束作用。当考虑连杆对剪力墙有约束作用时，框架剪力墙结构就可以简化为图示的刚接体系计算简图。在铰接体系中，连杆只传递总剪力墙和总框架之间的相互作用力。在刚接体系中，连杆对剪力墙弯曲还有一定的约束作用。,刚接体系计算简图,刚接连杆杆端约束弯矩,在刚接体系中，形成刚接连杆的连梁有两种：连接墙肢与框架的连梁和连接墙肢与墙肢的连梁。这两种连梁都可以简化为带刚域的梁，刚域长度可以按壁式框架中刚域长度计算方法确定。,建立微分方程及求解,建立坐标系：
11、坐标原点取在剪力墙底部，向上为x轴正向，向右为y轴正向。在刚接体系中，连梁的约束弯矩在总剪力墙x高度截面处产生的弯矩为,产生此弯矩所对应的剪力和荷载分别为：,此方程即为刚接体系的微分方程。此式与铰接体系的微分方程在形式上相同，因此，铰接体系微分方程的解及内力计算的相关图表都要可以用于刚接体系，但应用时需要注意下列问题：刚接体系和铰接体系刚度特征值l的计算公式不同，刚接体系中l与连梁刚度有关；在铰接体系中，通过图表可以直接给出总剪力墙分配到的剪力Vw，但在刚接体系中给出的是Vw=Vw-m需要转换才能得到总剪力墙分配到的剪力Vw,6.4 框架剪力墙结构内力计算过程,刚度特征值计算注意：铰接体系和刚
12、接体系计算公式不同。总剪力墙和总框架内力计算 铰接体系由l和x查图表可以确定总剪力墙分配到的弯矩Mw、剪力Vw以及总框架分配到的剪力Vf。刚接体系剪力墙内力分配计算框架梁、柱内力计算刚接连梁内力计算,back,剪力墙内力分配计算,back,框架梁、柱内力计算,back,刚接连梁内力计算,back,结构的侧移特征结构的内力分配特征结构的水平荷载分配特征,框架剪力墙结构受力及位移特征,框架剪力墙结构的刚度特征值l定义为总框架的抗推刚度(或广义抗推刚度，其中包括联系梁的约束刚度)和总剪力墙的抗弯刚度的比值。框架剪力墙结构的侧移曲线随刚度特征值l的变化而变化。当l很小时(l1)，总框架的抗侧刚度比总剪
13、力墙的等效抗弯刚度小很多，剪力墙起主要作用，承担大部分剪力，结构的侧移曲线呈弯曲型；当l较大时(l6)，总框架的抗侧刚度比总剪力墙的等效抗弯刚度大很多，框架起主要作用，承担大部分剪力，侧移曲线呈剪切型。当l介于两者之间时，框架剪力墙结构的变形曲线介于剪切型和弯曲型之间，呈弯剪型。下部略带弯曲型，上部略带剪切型。,结构的侧移特征,back,结构的内力分配特征,水平剪力在总剪力墙和总框架之间的分配受刚度特征值的影响较大。当l较小时，总剪力墙承担大部分剪力，l0时，总剪力墙承担全部剪力。当l很大时，总框架承担了大部分剪力，当l时，全部剪力由总框架承担。在结构底部，总框架承担的剪力为零；在结构顶部总的
14、水平剪力为零，但总框架和总剪力墙的剪力不等于零，而是数值相等，方向相反。框架剪力墙结构中，框架的剪力最大值在结构的中部楼层。随着l的增大，最大剪力层向下移动。,框剪结构剪力分配,back,结构的水平荷载分配特征,剪力墙下部承受的荷载大于外荷载，上部荷载逐渐减小，顶部作用有反向的集中力。框架下部作用有负荷载，上部变为正荷载，顶部有正集中力。,back,框架剪力墙结构中框架内力等的调整,框架部分抗震等级、房屋适用高度和高宽比的调整抗震设计时，地震引起的对房屋的倾覆力矩由框架和剪力墙两部分共同承担。若由框架承担的部分大于总倾覆力矩(基本振型作用)的50%以上时，说明框架部分已居于较主要的地位，应加强
15、其抗震能力的储备。具体要求是：按框架结构的要求确定其抗震等级；轴压比也按纯框架结构的规定来限制。至于适用高度和高宽比则可取框架结构和剪力墙结构两者之间的值，视框架部分承担总倾覆力矩的百分比而定，当框架部分承担的百分比接近于0时，取接近剪力墙结构的适用高度和高宽比，当框架部分承担的百分比接近于100%时，取接近框架结构的适用高度和高宽比。,框架总剪力的调整,抗震设计的框架剪力墙结构中，框架部分承担的地震剪力满足下式要求的楼层，其框架总剪力不必调整；不满足下式要求的楼层，其框架总剪力应按0.2V0和1.5Vfmax二者的较小值采用。各层框架所承担的地震总剪力按调整后，应按调整前、后总剪力的比值调整
16、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。按振型分解反应谱法计算地震作用时，的调整可在振型组合之后进行。,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：,6.5框架剪力墙结构截面设计及构造,截面设计框架剪力墙结构中，框架梁、柱的截面设计按框架结构中的相关规定进行，剪力墙的截面设计按剪力墙结构中的相关规定进行。构造要求剪力墙分布钢筋和拉筋剪力墙竖向和水平分布钢筋配筋率抗震设计时均不应小于0.25%，非抗震设计时均不应小于0.20%，并应至少双排配置。拉筋各排分布钢筋之间应设置拉筋。拉筋直径不应小于6，间距不应大于600。这些规
17、定是剪力墙设计的最基本构造要求，使剪力墙具有了最低限度的强度和延性保证。实际工程中，应根据实际情况确定不低于该项要求的、适当的构造设计。该项是强制性条文，应特别注意。,带边框剪力墙的构造要求-P151,边框剪力墙的截面厚度应符合有关规定：剪力墙的水平钢筋带边框剪力墙的混凝土强度等级宜与边框柱相同。与剪力墙重合的框架梁 边框柱 剪力墙截面宜按工字形设计，其端部纵向受力钢筋应配置在边框柱截面内。,思 考 题,1、框剪结构中剪力墙布置多少比较合理？请全面分析应考虑的因素。为什么说并不是剪力墙越多越好？2、为什么框剪结构的弯剪型变形曲线在下部是弯曲型，到上半部变为剪切型？框剪协同工作带来了哪些优点？与纯框架、纯剪力墙有哪些区别？3、为什么只布置一片刚度很大的墙既不安全，又对基础设计不利？4、铰接体系计算简图中的铰接连杆代表什么？作用是什么？什么情况下要用刚接体系计算？5、什么是刚度特征值？它对侧移及内力分配有什么影响？6、怎样减小水平力引起的扭转？当剪力墙布置不对称时是否能采取一些措施尽量减小或甚至避免扭转。7、怎样增大结构的抗扭能力？影响抗扭刚度的因素有哪些？,
