第二章抗侧力结构与布置

第二章抗侧力结构与布置任何结构都是由水平构件和竖向构件组成的空间结构，它们不同的组成方式和荷载传递途径，构成了不同的结构体系。高层建筑的抗侧力体系是高层建筑结构是否合理、经济的关键。高层建筑的抗侧力体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-支撑结构、筒体结构、框架-核心筒、巨型结构等。第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构由梁、柱组成的结构称为框架结构，可同时抵抗竖向及水平荷载。框架结构的柱网间距可大可小，大约为4～l0m。框架结构构件类型少，设计、计算、施工都比较简单，是高层结构抗侧力体系最基本的组成部分。我国早期的高层建筑很多采用框架体系，例如，北京的民族饭店、民航大楼、清华大学主楼等，它们的高度都不大，在10～15层之间。第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构美国1984年建成的加州太平洋公园广场公寓(PacificParkPlaza)，位于加利福尼亚州的Emeryville(旧金山湾区)，地上31层，高94.6m，平面为三叉形，对称而均匀地伸出三个翼。建成后在1989年10月17日LomaPfieta（M7.0级）地震时，经受了强烈地震考验，震后经过专家仔细检查，没有发现肉眼可见裂缝，证明了钢筋混凝土框架结构可以实现较好的抗震性能，也证明了延性框架结构设计是安全的。结构是由美国T．Y．Lin设计顾问有限公司设计，林同炎教授直接指导，Clough、Bertero等伯克利加州大学的知名教授都作为设计顾问参与了设计。第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构日本也在稍后几年建造了40～50层的钢筋混凝土延性框架结构，柱网很密，用钢量很高。我国现有的最高框架结构是北京的长城饭店，平面见图2-2，高18层(凸出部分22层)，总高82.85m。该建筑由美国设计。图2-2北京长城饭店第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构框架结构的抗侧刚度较小，用于比较高的建筑时，需要截面较大的梁、柱构件才能满足变形限值的要求。钢筋混凝土框架的大截面构件减小了有效使用空间，抗震钢筋混凝土延性框架用钢量增加，而且非结构的填充墙和装饰面层要采用抵抗大变形的材料，并用柔性连接，造价较高，否则容易损坏，修复费用高。根据国情，我国规范规定的钢筋混凝土框架结构的适用高度受到限制，近年几乎没有再建造高层钢筋混凝土框架结构。第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构钢框架结构的建筑高度可以增加，例如，北京的长富宫饭店，27层，总高94.08m，平面布置规则，见图2-3，由日本投资并设计，其用钢量也是较大的，我国自行设计的高层钢框架结构很少见。第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构图2-4框架结构柱网布置举例第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构框架在侧向力作用下的变形如图2-5所示。其侧移由两部分组成：梁和柱的弯曲变形产生的侧移，侧移曲线呈剪切型，自下而上层间位移减小；柱的轴向变形产生的侧移，侧移曲线弯曲型，自下而上层间位移增大。第一部分是主要的，框架在侧向力作用下的侧移曲线以剪切型为主。图2-5框架在侧向力作用下的侧移曲线第二章抗侧力结构与布置2.1框架和剪力墙的侧移分析图a所示等截面悬臂柱，在水平均布荷载作用下，柱截面内有弯矩和轴力，因而，柱的侧移包括由柱截面弯矩引起的侧移um和柱截面剪力引起的侧移uv。两种侧移曲线的凹向不同，um为下凹，称弯曲形变形（下部曲率最大、上部转角最大）；而uv为上凹，称剪切形变形（下部转角最大、上部转角最小）。图a水平荷载作用下等截面悬臂柱的侧移第二章抗侧力结构与布置2.1框架和剪力墙的侧移分析当构件的高度与其截面尺寸相比均比较大（4倍以上），属于杆系结构，杆件的变形以弯曲变形为主，而剪切变形及轴向变形所占比例较小，可忽略不计。故剪力墙的变形（通常剪力墙的高度为其截面高度的4倍以上）以弯曲变形为主。低矮剪力墙则不是。第二章抗侧力结构与布置2.1框架和剪力墙的侧移分析框架结构在水平荷载作用下可看做一根空腹悬臂柱，见图b所示。将某层框架柱沿反弯点处切开，中柱的轴力忽略不计。两侧边柱轴力大小相等，但一拉一压。截面内同时还有剪力。空腹悬臂柱的截面弯矩为M=NB，截面剪力V=V1+V2+V3。截面弯矩M产生的整体弯曲形变形是由杆件轴力引起的，轴力引起的变形较小，故整体弯曲形变形也较小。由截面剪力V产生的整体剪切形变形是由框架柱在弯矩及剪力作用下柱截面发生弯曲变形引起的，故剪切形变形较大。框架的侧向变形以剪切形为主。图b水平荷载作用下框架结构的内力第二章抗侧力结构与布置2.1框架和剪力墙的侧移分析框架结构在水平荷载作用下的侧移曲线（以剪切型为主）见图c：图c框架结构在水平荷载作用下的变形第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构框架结构具有的优点：平面布置灵活，容易满足大使用空间的要求；缺点：抗侧移刚度小，水平侧移较大，建造高度有限；适用范围：5～20层，多、高层住宅、饭店、办公楼及其它公共建筑均可。抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架；宜采用轻质填充墙，以减轻自重。第二章抗侧力结构与布置2.1框架结构《混凝土异形柱技术规程(JGJ149-2006)》：钢筋混凝土异形柱截面形式包括L形、T形、十字形。异形柱各肢截面最小厚度在200～300mm之间，截面肢高不小于500mm，截面肢高肢厚比不大于4。第二章抗侧力结构与布置2.2剪力墙结构用钢筋混凝土剪力墙（用于抗震结构时也称为抗震墙）承受竖向荷载和抵抗侧向力的结构称为剪力墙结构，也称为抗震墙结构。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的优点：整体性好，承载力及抗侧刚度大，在水平力作用下侧移小；缺点：平面布置不灵活、建筑空间受到限制、结构自重大。剪力墙结构的开间一般为3～8m，适用于10～30层住宅、旅馆等建筑。第二章抗侧力结构与布置2.2剪力墙结构剪力墙结构由于自重大，刚度大，使其基本周期短、地震惯性力较大，因此，高度很大的剪力墙结构并不经济。剪力墙是平面构件，在其自身平面内有较大的承载力和刚度，平面外的承载力和刚度小，结构设计时一般不考虑剪力墙平面外承载力和刚度。因此，剪力墙要双向布置，分别抵抗各自平面内的侧向力；抗震设计的剪力墙结构，应力求使两个方向的刚度接近。第二章抗侧力结构与布置2.2剪力墙结构在侧向力作用下，剪力墙结构的侧向位移曲线呈弯曲型（见图2-6），即层间位移由下而上逐渐增大。图2-6剪力墙结构在水平荷载作用下的变形第二章抗侧力结构与布置2.2剪力墙结构沿高度方向，剪力墙宜连续布置，避免刚度突变。剪力墙一般需要开洞作为门窗，洞口宜上下对齐，成列布置。墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的两端尽可能与另一方向的墙连接，成为工形、T形或L形等有翼缘的墙，以增大剪力墙的刚度和稳定。在楼、电梯间，两个方向的墙相互连接成井筒，以增大结构的抗扭能力。第二章抗侧力结构与布置2.2剪力墙结构为了使底层或底部若干层有较大的空间，可以将结构做成底层或底部若干层为框架、上部为剪力墙的框支剪力墙，图2-7为框支剪力墙的立面图。图2-7框支剪力墙的立面图第二章抗侧力结构与布置2.2剪力墙结构短肢剪力墙是指墙肢截面高度与宽度之比为5～8的剪力墙。短肢剪力墙有利于住宅平面布置和减轻结构自重。短肢墙的抗震性能不如一般剪力墙，高层建筑不允许采用全部为短肢墙的剪力墙结构，应设置一定数量的一般剪力墙或井筒，形成短肢墙与井筒共同抵抗水平作用的剪力墙结构。短肢墙较多的剪力墙结构的最大适用高度比一般剪力墙结构减小。具体要求见P17。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-剪力墙结构在结构中同时布置框架和剪力墙，就形成框架一剪力墙结构(见图2-8)。框架一剪力墙体系适合于建造高层建筑，是多、高层建筑中最为广泛应用的一种体系。图2-8框架-剪力墙结构第二章抗侧力结构与布置2.3框架-剪力墙结构图2-9侧向力作用下框架-剪力墙的变形框架一剪力墙(筒体)结构兼有框架结构布置灵活、延性好的优点和剪力墙结构刚度大、承载力大的优点。在水平力的作用下，由于楼板的作用，框架和剪力墙协同受力，在结构的底部框架侧移减小，在结构的上部剪力墙的侧移减小，侧移曲线兼有这两种结构的特点，成为弯剪型(见图2-9)。弯剪型变形曲线的层间变形沿建筑高度比较均匀，改善了框架结构及剪力墙结构的抗震性能，也有利于减少地震作用下非结构构件的破坏，可形成较大使用空间。适合用于较高的建筑。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-剪力墙结构框架一剪力墙结构可以设计成双重抗侧力体系，一般情况下，抵抗地震作用时，剪力墙为第一道防线，框架为第二道防线，形成多道抗震设防结构，避免在罕遇地震作用下严重破坏甚至倒塌。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-剪力墙结构框架一剪力墙结构设计的关键是剪力墙的数量和布置。结构工程师应当优化剪力墙的布置，剪力墙的数量不必太多，以满足规范的侧移限制为好。剪力墙太多不仅加大地震力，而且使结构重量加大，施工工程量相应增加等。目前我国国内设计的主要倾向是剪力墙太多、刚度太大。剪力墙数量是否恰当，还可以通过计算剪力墙分配到的总剪力是多少来检验。分配到总剪力的50％～85％之间较好。剪力墙分配到的剪力过大(超过90％)，框架需要调整的内力就多，说明框架太弱；剪力墙的剪力分配比例过小，则框架部分的延性要求要提高。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-剪力墙结构剪力墙的布置原则：(1)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。(2)对称布置，或使结构平面上刚度连续均匀，减小在侧向力作用下结构的扭转效应。(3)贯通建筑物的全高。使刚度沿高度连续均匀，避免刚度突变，剪力墙开洞时，洞口上下对齐。(4)在建筑物周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及竖向荷载较大的部位均匀布置剪力墙。楼梯间、电梯间、设备竖井尽量与剪力墙结合布置。(5)两个方向的剪力墙尽可能组成L形、T形、[形和井筒等形式，使一个方向的墙成为另一方向墙的翼缘，增大抗侧刚度、抗扭刚度。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-剪力墙结构表2-1剪力墙间距(m)(取较小值)楼、屋盖类型非抗震设计抗震设防烈度6度、7度8度9度现浇5.0B，604.0B，503.0B，402.0B，30装配整体3.5B，503.0B，402.5B，30—注：1.B为楼板宽度，单位为“m”；2.现浇层厚度大于60mm的叠合楼板可以作为现浇板考虑。剪力墙的布置原则(续）(6)各片剪力墙的刚度宜均匀，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%。(7)在一榀很长的框架中（为纵向），剪力墙不宜集中布置在该榀框架的两尽端，以避免在温度变化、结构涨缩时由于两端的约束作用而造成楼盖梁板开裂。(8)剪力墙的间距不宜过大。要限制剪力墙的间距，不要超过表2-1所列的值。第二章抗侧力结构与布置2.3板柱-剪力墙结构板柱结构是指钢筋混凝土无梁楼板和柱组成的结构(见图2-10)。图2-10板柱结构第二章抗侧力结构与布置2.3板柱-剪力墙结构板柱结构施工方便，楼盖高度小，可以减小层高，能提供大的使用空间，灵活布置隔断墙等。但板柱连接节点的抗震性能差，有可能产生冲切破坏。板柱结构在地震中严重破坏、倒塌的震害说明，板柱结构的刚度小、抗震性能差，不宜作为高层建筑的抗震结构。在板柱结构中设置剪力墙，即成为板柱-剪力墙结构。板柱-剪力墙结构可以用于抗震设防烈度不超过8度且高度有限制的房屋建筑。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-支撑结构在框架中设置支撑斜杆，即为支撑框架，一般用于钢结构。由框架和支撑框架共同承担竖向荷载和水平荷载的结构，称为框架－支撑结构。支撑框架形成竖向桁架，在水平力作用下所有杆件承受轴力，支撑框架在水平力作用下的侧移主要由杆件的轴向拉伸及压缩变形引起，其侧移曲线的形状，类似于剪力墙的侧移曲线，呈弯曲型。框架－支撑结构的整体侧移曲线呈弯剪型。第二章抗侧力结构与布置2.3框架-支撑结构支撑框架的形式有两类：中心支撑框架（见图2-11）和偏心支撑框架（见图2-12）。偏心支撑框架的特点是支撑在梁端或梁的跨中形成一段短梁，称为消能梁段。偏心支撑框架的抗震性能明显优于中心支撑框架。图2-12偏心支撑框架图2-11中心支撑框架第二章抗侧力结构与布置2.3框架-支撑结构在大震作用下，消能梁段腹