高层建筑结构设计课件

1高层建筑结构授课老师：XXX2第五章剪力墙结构内力与位移计算5.1概述5.2整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算5.3联肢剪力墙的计算5.4壁式框架的计算5.5剪力墙结构的分类5.6剪力墙截面设计5.7剪力墙轴压比限值及边缘构件配筋要求5.8短肢剪力墙的设计要求5.9剪力墙设计构造要求5.10连梁截面设计及配筋构造35.1概述5.1.1结构布置1．剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，应避免仅单向有墙的结构布置形式。2．剪力墙尽量布置得比较规则、拉通、对直。3．剪力墙宜自下到上连续布置，不宜突然取消或中断，避免刚度突变。4．剪力墙每个墙段的长度不宜大于8m，高宽比不应小于3。避免剪力墙脆性破坏。45大开间剪力墙结构与小开间剪力墙结构1.小开间剪力墙：3-3.6m。（1）缺点：结构所占面积大，混凝土耗用量较大，结构自重比较大。（2）优点：楼板处理容易，采用预制板比较方便，采用现浇板时板厚也较小。2.大开间剪力墙：6-8m。（1）缺点：楼面系统设计比较困难。（2）优点：墙体耗用材料较少，能充分发挥剪力墙的承载力，结构自重也较小。6785．应控制剪力墙平面外的弯矩。当剪力墙与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取：1）沿梁轴线方向设置剪力墙2）设置扶壁柱3）设暗柱4）剪力墙内设置型钢。910控制剪力墙平面外的弯矩111213剪力墙的计算简图•计算剪力墙结构的内力和位移时，应考虑纵横墙的共同工作。145.1.2剪力墙的分类15剪力墙的分类•1.整体剪力墙•2.整体小开口墙•3.联肢剪力墙•4.壁式框架16整体剪力墙•无洞口剪力墙或剪力墙上开有一定数量的洞口，但洞口的面积不超过墙体面积的16%。17整体小开口墙•当剪力墙上的洞口面积超过墙体面积的16%时，这类剪力墙的正应力分布略偏离了直线分布的规律，变成了相当于在整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠加了墙肢局部弯曲应力。•当墙肢中的局部弯矩不超过墙体整体弯矩的15%时，其截面变形仍接近于整体截面剪力墙。这种剪力墙称之为整体小开口剪力墙18联肢剪力墙•当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大的洞口时，由于洞口较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，剪力墙的截面变形不再符合平截面的假定。•这时剪力墙成为由一系列连梁约束的墙肢所组成的联肢墙。•局部弯矩超过墙体整体弯矩的15%时19壁式框架•当剪力墙的洞口尺寸较大，墙肢宽度较小，连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度时，剪力墙的受力性能接近于框架，这种剪力墙称为壁式框架。205.1.3剪力墙的分析方法（1）材料力学分析法•对于整体墙，在水平力作用下截面仍保持平面，法向应力呈线性分布，可采用材料力学中有关公式计算内力及变形。•对于小开口剪力墙，其截面变形后基本保持平面，正应力呈直线分布。为计算方便，仍采用材料力学中有关公式进行计算并进行局部弯曲修正。21（2）连续化方法•将双肢墙进行某些简化，进而得到比较简单的解析法。•将每一楼层的连梁假想为在层高内均布的一系列连续连杆，由连杆的位移协调条件建立墙的内力微分方程，从中求解出外力。22（3）壁式框架分析法•将开有较大洞口的剪力墙视为带刚域的框架，用D值法进行求解。•与框架采用D值法的区别:考虑刚域和剪切变形。23（4）有限元法和有限条法•有限元法是剪力墙应力分析中一种比较精确的方法，对各种复杂几何形状的墙都适用。•有限条法将剪力墙结构进行等效连续化处理后，取条带进行计算，也是一种精度较高的方法。计算时间与建筑高度关系不大。24有限元法和有限条法25第五章剪力墙结构内力与位移计算5.1概述5.2整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算5.3联肢剪力墙的计算5.4壁式框架的计算5.5剪力墙结构的分类5.6剪力墙截面设计5.7剪力墙轴压比限值及边缘构件配筋要求5.8短肢剪力墙的设计要求5.9剪力墙设计构造要求5.10连梁截面设计及配筋构造265.2.1整体墙计算•在水平荷载作用下，根据其变形特征，可视为一整截面悬臂构件，用材料力学中悬臂梁的内力和变形的有关公式进行计算。27如何计算墙肢等效截面面积？AAW0:等效截面面积fpAA0025.11:洞口削弱系数A——剪力墙截面毛面积（截面）；Aw——无洞口剪力墙的截面面积，小洞口整截面墙取折算截面面积（截面）；Af——剪力墙立面总墙面面积(立面)；Aop——剪力墙洞口总面积(立面)。28如何计算组合截面惯性矩？•组合截面惯性矩取有洞口截面与无洞口截面惯性矩沿竖向的加权平均值niiniiwiWhhII11:组合截面惯性矩有洞口截面惯性矩即为剪力墙对组合截面形心轴的惯性矩I。Iwi——剪力墙沿竖向各段的截面惯性矩，无洞口段与有洞口段分别计算，n为总分段段数；hi——各段相应高度，,H为剪力墙总高度。Hhi29*.整体墙的计算-剪力墙的位移•除考虑弯曲变形外,还要考虑剪切变形(倒三角形分布荷载)(均布荷载)(顶部集中荷载)V0—底部截面剪力;—剪力不均匀系数（用于考虑剪切变形）;3031如何用等效刚度来表达整体墙的顶点的位移？eqEIHVu306011eqEIHVu3081eqEIHVu3031(倒三角形分布荷载)(均布荷载)(顶部集中荷载)如果取EG4.0，近似可取325.2.2小开口整体墙计算*.整体小开口墙在水平荷载作用下的受力特点是什么？•整体剪力墙既要绕组合截面的形心轴产生整体弯曲变形，各墙肢还要绕各自截面的形心轴产生局部弯曲变形，并在各墙肢产生相应的整体弯曲应力和局部弯曲应力。•相比之下，整体弯曲变形是主要的，而局部弯曲变形是次要的，它不超过总弯曲变形的15%。33（1）内力计算求各墙肢的内力k——整体弯矩系数，试验表明，整体小开口墙中的局部弯矩不超过整体弯矩的15%，可近似取k=0.85。总弯矩Mpz=整体弯曲弯矩Mpz’+局部弯曲弯矩Mpz’’整体弯矩:Mpz’=kMpz≈0.85Mpz局部弯矩：Mpz’’=（1-k）Mpz≈0.15Mpz34I-剪力墙对组合截面形心轴的惯性矩.Ii-墙肢i的惯性矩(对自身形心轴)第i墙肢承受的整体弯矩第i墙肢承受的局部弯矩则第i墙肢承受的总弯矩IIM.MIIMipzpzizi850iipziipzziIIMIIMM15.0''iipzipzziziziIIMIIMMMM15.085.035第i个墙肢的轴力计算公式：iipziipziiziziAIyMAyIMANN85.0I为组合载面形心轴的惯矩；yi为墙肢I形心到组合截面形心的距离第i个墙肢的剪力计公式：pziiiiziVIIAAV)(21Ai——第i个墙肢截面的面积。36如何对细小墙肢的弯矩进行调整？第i个墙肢受到的因局部弯曲而修正后的弯矩计算公式(小墙肢)：Mzio=Mzi+ΔMi=Mzi+Vzi2ihh0-洞口的高度37（2）位移计算•由于剪力墙中洞口存在使墙的整体抗弯刚度减弱，将材料力学公式计算出的侧移增大20%。(倒三角形分布荷载)(均布荷载)(顶部集中荷载)38作业题42.0EGMPaE41055.21.求图中所示12层小开口整体墙底层底部截面墙肢弯矩、轴力和剪力，并求顶点侧移。墙厚0.2m，..039第五章剪力墙结构内力与位移计算5.1概述5.2整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算5.3联肢剪力墙的计算5.4壁式框架的计算5.5剪力墙结构的分类5.6剪力墙截面设计5.7剪力墙轴压比限值及边缘构件配筋要求5.8短肢剪力墙的设计要求5.9剪力墙设计构造要求5.10连梁截面设计及配筋构造405.3联肢剪力墙的计算5.3.1双肢墙计算：（1）基本假定和微分方程的建立连续连杆法假定：1)连梁反弯点在跨中，连梁的作用可以沿高度均匀分布的连续弹性薄片代替。2)各墙肢的刚度相差不过分悬殊，因而变形曲线相似。3)连梁的墙肢考虑弯曲和剪切变形，墙肢还考虑轴向变形的影响。41连杆切口处沿)(x方向的变形连续条件可用下式表示：0321墙肢弯曲、轴向变形及连梁的变形42*.双肢剪力墙的计算--变形连续条件1．墙肢的弯曲和剪切变形发生的位移。弯曲变形：dxdyCxCCCmmm2)(2)(22111)(21mmm剪切变形：0v43*.双肢剪力墙的计算--变形连续条件-墙肢轴向变形产生的相对位移xdx)x()x(N0Hx21Hx2Hx12dx)x(N)A1A1(E1EAdx)x(NEAdx)x(NHxxdxdx)x()AA(E021111虎克定律44*连梁弯曲和剪切产生的位移剪切变形:bEIahxM3)233bvGAahx)(23弯曲变形连梁总变形：032333333)2313)2)(23)2bbbbbbvMEIahxaGAEIEIahxGAahxEIahx连梁折算惯性矩：2031aGAEIIIbbbb45*.双肢剪力墙的计算--位移协调方程--力法基本体系在切口处沿τ(x)方面的总位移：δ=0032)(111203021321bHxxmEIhaxdxdxxAAEc微分二次：0)(32)()11(120321''xEIhaxAAEcbm46*.双肢剪力墙的计算--墙肢弯曲变形产生相对位移由平衡条件得：xppdxxcxMxNcMxMxM021)(2)(2mmmmmmmmyyyMdxydEIMdxydEI21212222212121xpmdxxcMdxydIIExMxM0222121)(2)(对N1作用点取矩，2cN(x)相当于连梁的作用。47xpmmdxxcxMIIEdxyd02122)(2)(1)(2)()(121xcxVIIEpm对于三种荷载：)()()1(1)(0200顶部集中力倒三角荷载均布荷载VVHxVHxVVVpppV0是基底总剪力48代入上式得：)(2)(1)(211)(1)(2)()(10212021021xcVIIExcHxVIIExcHxVIIEmmm顶部集中力倒三角荷载下均布荷载下令：)(2)(xcxm320acIDb（连梁对墙肢的约束弯矩-整体弯矩）（连梁刚度系数）04ahabcaa049DIIhH)(62122121212AAAcAsDhscH262212（未考虑墙肢轴向变形的整体系数--连梁、墙肢刚度比）（双肢墙截面形心轴的面积矩）（考虑墙肢轴向变形的整体系数）50整理得双肢墙基本方程：)()()1(1)()()(022120221022122顶部集中力倒三角荷载均布荷载VHHxVHHxVHxmHxm51（2）基本方程的解)(1)(2)1(1)()()()(221集中力倒三角均布shcchc)()()1(1)()()(2222顶部集中力倒三角荷载均布荷载非齐次微分方程的解由通解和特解组成:令：