第6章 框架-剪力墙结构设计

第六章框架－剪力墙结构设计框架－剪力墙协同工作原理铰结体系在水平荷载下的计算刚结体系在水平荷载下的计算内力计算剪力墙结构：弯曲型，层间变形上大下小框架结构：剪切型，层间变形上小下大剪弯型弯剪型框剪结构：通过刚性楼面协同工作一、框架－剪力墙结构的变形与受力特征对比6.1框架－剪力墙协同工作原理剪力墙结构：弯曲型，层间变形上大下小框架结构：剪切型，层间变形上小下大剪弯型弯剪型框剪结构：通过刚性楼面协同工作一、框架－剪力墙结构的变形与受力特征对比6.1框架－剪力墙协同工作原理剪切型弯曲型·剪力墙框架框架-剪力墙不同结构的变形图H在下部：剪力墙帮框架受剪，框架底部剪力减少在上部：框架帮剪力墙受剪，框架顶部剪力加大；框－剪结构中的框架，受剪以及层间变形趋于均匀·剪力墙框架框架-剪力墙不同结构的变形图H注意事项•纯框架结构设计完后，如果又增加了剪力墙，问结构是否安全？•框架结构中有电梯井或局部有剪力墙，问是否能按纯框架结构进行设计？二、荷载首先求出水平力在各榀框架和剪力墙之间的分配然后再分别计算各榀框架或剪力墙的内力水平荷载竖向荷载框架剪力墙三、计算基本思想（合——分——再分）（1）首先将所有剪力墙合并为总剪力墙，所有框架合并为总框架（2）把总剪力墙与总框架之间的联系连续化，根据变形协调条件、力平衡条件和力与变形物理关系得出剪力微分方程（协调工作）——解决荷载在总剪力墙与总框架之间的分配，得到各自的总内力和共同的变形曲线（3）总剪力墙的总内力按各片墙的等效抗弯刚度EIeq分配到各片墙，总框架的总内力按各柱的抗侧刚度D值分配至各柱6.1框架－剪力墙协同工作原理四、基本假定（1）平面结构假定——纵横两主轴方向分别计算（2）刚性楼板假定——无扭转时，同一楼面上各点水平位移相同（3）所有结构参数沿建筑高度不变（如有不大的变化，则可取沿高度的加权平均值）（4）外荷载的作用由剪力墙和框架共同承担（5）不考虑剪力墙与框架的轴向变形和基础转动五、计算简图1、将所有剪力墙合并为总剪力墙，作为一个竖向悬臂弯曲构件将所有框架合并为总框架，作为一个竖向悬臂剪切构件2、总剪力墙和总框架之间的联系根据总剪力墙与总框架之间的联系性质，框架－剪力墙结构的计算简图可分为两类——铰结体系与刚结体系yx铰结体系——当连梁的刚度较小，转动刚度较小时，可忽略连梁对剪力墙的转动约束作用铰接连杆综合框架（五榀）综合剪力墙（两片单肢墙）结构在y方向上受力（铰结体系）yx结构在x方向上受力(刚结体系）刚性连杆综合剪力墙（四片单肢墙）综合框架（两榀）刚结体系——当连梁的刚度较大时yx6.2铰结体系协同工作计算DhCF1、总剪力墙及总框架的刚度计算总剪力墙抗弯刚度，为每片墙的等效抗弯刚度总框架抗剪刚度，表示产生单位层间角位移所需的推力eqwEIEIeqEI框架抗剪刚度框架的D值综合框架综合剪力墙P综合框架综合剪力墙Pfp综合框架综合剪力墙Pfpzp)(zy)(zfpHz)(zy)(zfp将集中荷载在层高内连续化：2、微分方程的建立力（荷载）平衡条件：变形协调条件FPwFwPFwFwVVVVVVPPPPPPyyyFw力与变形关系剪力墙框架wwMdxydEI224433FFFFFFFPdxydCVdxdyCC22FwPPPWWFEIxPdxydEICdxyd)(2244引入HxEICHWF//（——刚度特征值）)(422244PEIHdyddydW则得FwPPP四阶常系数非齐次线性微分方程以剪力墙变形曲线为未知量的四阶微分方程)(422244PEIHdyddydW边界条件顶部集中荷载倒三角形荷载均布荷载，、顶部弯矩为，、底部转角为，、底部位移为，、pVVVHxdydMHxddyyxFWP00,140,0,130,0020,0,00122位移曲线ddyHCdxdyCVVVVdydHEIdxydEIVdydHEIdxydEIMFFFWPF或33333222223、计算图表的应用（1）根据荷载形式（有三种）、刚度特征值和高度坐标查图表得系数00/)(/)(/)(VVMMfyWVWmHy（2）根据荷载形式按悬臂杆计算顶点侧移fH，底截面弯矩M0和底截面剪力V0（3）计算结构顶点侧移y、总剪力墙弯矩Mw和剪力VW以及总框架剪力VF00VVMMfyyyVWmWHyFWWPFVVVHyfy/)(HyFWfyyy0/)(MMWm0MMmW0/)(VVWVWPFVWVVVVV06.3刚结体系协同工作计算刚结体系与铰结体系相比：综合框架综合剪力墙P相同之处——总剪力墙与总框架通过连杆传递之间的相互作用力。不同之处——刚接体系中连杆对总剪力墙的弯曲有一定的约束作用。连梁切开后，除轴力外，还有剪力，将剪力向墙肢截面形心取矩，并沿高度连续化，便形成分布的约束弯矩m（x），即连梁对墙肢具有约束作用综合框架综合剪力墙PfipiV将连梁切开：对总剪力墙截面形心取矩综合剪力墙PfipiV各集中荷载均作用在楼层处：Pfip竖向剪力产生的弯矩，可抵消一部分外荷载引起的弯矩有利)(xm微分方程的建立（与铰结体系相仿）dxdmPPPdxdmPPPPPPPFwFwmFw引入)(PEIHdyddydH/xEICCHEI)x(PdxydEICCdxydWWbFWWbF4222442244则得（——刚度特征值）6.4构件内力计算（内力的“再分配”）问题：求出总剪力墙、总框架、总连梁的内力后，如何计算各墙肢、框架梁、框架柱及连梁的内力WjeqieqiWijMEIEIMWjeqieqiWijVEIEIVeqEI1、剪力墙的内力按各片墙的等效抗弯刚度分配总剪力墙的总内力，即2、框架梁柱的内力按照各柱的抗侧刚度D值分配总框架的总剪力VF，并取各楼层上、下两层楼板标高处的VF的平均值作为该层柱中点（反弯点）的剪力，据此剪力按平衡条件再求梁柱的其他内力，各层柱中点的剪力为21FjFjiicijVVDDV3、连梁的内力按连梁的刚结端刚度系数分配总连梁的总约束弯矩，得连梁在墙肢轴线处的弯矩21jjjiabiabijabhhmmmM再求连梁剪力及连梁在墙边处弯矩l/)MM(Vb21122/02112lVMMbbb墙肢转角相同，连梁反弯点在跨中点6.5讨论1、刚度特征值对框架结构受力和位移特征的影响刚度特征值，反映了框架抗推刚度（包括连梁约束刚度）与剪力墙抗弯刚度的比值影响。WFEICH/WbFEICCH当FC当0FC时0—说明框架的抗剪刚度为0，整个结构为纯剪力墙结构当wEI当时0wEI—说明剪力墙的抗弯刚度为0，此时结构为纯框架结构(1)位移曲线1时，变形曲线呈弯曲形6时，变形曲线呈剪切形＝1～6时，变形曲线呈弯剪型（或反S型）(2)剪力分配沿高度不成一定比例在底部：剪力墙的剪力最大，框架的剪力为0(近似计算造成)在上部：剪力墙出现负剪力，而框架承担的剪力比外荷载产生的剪力还要大在顶部：剪力墙与框架的剪力都不等于0WFVV/剪力图qH总剪力墙分配到的剪力图总框架分配到的剪力图总剪力墙承担全部剪力总框架承担全部剪力wVFV顶部外荷载全部分配给剪力墙协同工作的结果由框架和剪力墙的变形协调所产生的顶部集中荷载以相反的方向作用在框架和剪力墙的顶端剪力墙下部承受的荷载大于外荷载框架在下部分配到的荷载为负值框架顶部荷载为0P图wp图Fp(3)水平荷载分配均布荷载图剪力墙分配到的荷载图框架分配到的荷载图在底部：剪力墙所受的荷载比外荷载大，而框架承受反向荷载；在顶部：剪力墙与框架有大小相等、方向相反的集中力2、框剪结构设计中应注意的问题框架与剪力墙协同工作，使框架层剪力分布，从底到顶趋于均匀。这对框架的设计十分有利----框架柱和梁的断面尺寸和配筋可以上下比较均匀由此可以看出三个值得注意的问题：（1）纯框架设计完毕后，如果又增加了一些剪力墙（例如电梯井，楼梯井等改成剪力墙），就必须按框架－剪力墙结构重新核算。（2）剪力墙与框架协同工作的基本条件是：传递剪力的楼板必须有足够的整体刚度。因此框剪结构的楼板应优先采用现浇楼面结构，剪力墙的最大间距不能超过规定限值；（3）框架结构中剪力墙的数量剪力墙数量愈多，造价愈高，刚度愈大，自振周期愈短，地震作用愈大，加大了结构的受力。即使剪力墙再多，框架部分耗用的材料并不能减少（）剪力墙数量要满足位移限值是一个必要条件。此外，应使剪力墙与框架的比例适当，使＝1.1～2.2为宜02.0VVF调整原因：1、剪力墙间距大，实际上楼板有变形，会使框架的变形大于剪力墙的变形，使框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。2、剪力墙刚度大，承受大部分剪力，在地震作用下首先开裂，刚度降低，地震力向框架转移，框架受到的地震作用显著增加。鉴于以上两点，框架实际受的水平力大于采用刚性楼板计算的结果。3、框架剪力的调整调整方法：1、的楼层不必调整，按设计值采用。2、的楼层，其层框架总剪力应按0.2V0和1.5Vf,max(最大剪力)二者的较小值采用。02.0VVf0fV20V.有一幢高15层框架——剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地，设计地震分组为一组，经计算得结构底部总水平地震作用标准值，按简化计算法协同工作分析得到某楼层框架分配的最大剪力，试计算设计该框架时，各楼层框架总剪力标准值是多少。框架——剪力墙结构题1KNFEK6300KNVfmax820调整方法：1、的楼层不必调整，按设计值采用。2、的楼层，其层框架总剪力应按0.2V0和1.5Vf,max(最大剪力)二者的较小值采用。02.0VVf0fV20V.KNVVKNVVfff126063002.02.012308205.15.10max有一幢高15层框架——剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地，设计地震分组为一组，经计算得结构底部总水平地震作用标准值，按简化计算法协同工作分析得到某楼层框架分配的最大剪力，试计算设计该框架时，各楼层框架总剪力标准值是多少。框架——剪力墙结构题1KNFEK6300KNVfmax820