《框剪结构设计》PPT课件

第三章 框架-剪力墙结构,1 框架-剪力墙协同工作,一、概述,由楼、屋盖连系起来，形成整体，使框架与剪力墙协同工作。,由于剪力墙的存在,使整栋建筑物侧向刚度增大,地震时结构变形及水平位移减小,非结构破坏减轻。,剪力墙由墙板与周边的梁、柱结合在一起 而形成带边框的剪力墙，水平呈哑铃形，剪力墙数量少、受力大、配筋要高。（主要的抗侧力构件）,梁,两端均与剪力墙连接的梁,框架梁,柱截面小、用料省、侧向刚度小。,一端与剪力墙、一端与框架连接的梁,这种梁与墙的连结刚度大,在水平力作用下，会由于弯曲变形很大而出现很大的弯矩和剪力后首先开裂、屈服，进入弹塑性工作状态，因此在计算时，要将此类连梁的刚度进行折减。,二 、协同工作的基本概念 1、框剪结构水平位移的特征,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,框架与剪力墙结构两者单独变形性质的不同，从而导致在水平位移过程中的相互约束。,框剪结构：,通过刚性楼面协同工作,剪力墙,框架,框架-剪力墙,不同结构的变形图,2、协同工作,A、位移,上部：框架的层间位移比剪力墙小，框架协助剪力墙工作，使变形协调如图中虚线所示，故框架较剪力墙承担的剪力大，但水平剪力上部本来就小，故框架内力并不大。,底部：剪力墙的位移比框架小，剪力墙将协助框架工作以调整位移，则剪力墙承受的水平剪力越接近底部越大。由于底部剪力大，则框架剪力墙的协同工作对框架的受力极为有利。,B、内力,上部：框架除了负担外荷载产生的水平力外，还额外负担了把剪力墙拉回来的附加水平力。因此，在上部楼层，即使外荷载产生的楼层剪力很小，框架中也出现相当大的剪力。 底部：框架承受的水平剪力减小。,C、节省材料,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？,三、荷载,1、基本假定 楼盖结构在自身平面内的刚度为无穷大，平面外的刚度可忽略不计； 水平力的合力通过结构的抗侧刚度中心，即结构没有整体扭转； 框架和剪力墙的结构刚度参数沿高度方向均为常数。 根据以上假定：所有框架等效为综合框架 所有剪力墙等效为综合剪力墙 所有连梁等效为综合连梁,楼盖的作用是保证各片平面结构具有相同的水平位移。,四、基本假定和计算简图,2、确定计算简图,结构在y方向上受力（铰结体系）,结构在x方向上受力(刚结体系）,刚结体系 当连梁的刚度较大时,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,综合剪力墙刚度 =每片剪力墙等效抗弯刚度的和；即,五、综合剪力墙及综合框架刚度计算 1、综合剪力墙刚度计算,2、综合框架刚度计算,框架抗推刚度的定义： 产生单位层间变形角所需的推力,同一层内框架柱的抗侧移刚度,综合框架刚度=所有柱抗推刚度的总和,框架抗侧刚度考虑柱轴向变形的修正,_仅考虑梁、柱弯曲变形时框架的顶点位移；_仅考虑柱轴向变形时框架的顶点位移；,2 框架-剪力墙铰接体系协同工作计算,协同工作计算采用连续连杆法,将集中荷载在层高内连续化：,预备知识 ： 材料力学计算公式,微分方程的建立 力的平衡条件,得 以剪力墙变形曲线为未知量的 4 阶微分方程 令： 结构刚度特征值,引入两个符号：,框剪结构总高度,称为结构刚度特征值。是反映总框架和总剪力墙刚度之比的一个参数，对框架-剪力墙的受力和变形都有很大影响。,整理得 四阶常系数非齐次线性微分方程 微分方程的求解 齐次方程的解 特征方程 齐次方程的通解,特解 微分方程的通解,求解待定系数 剪力墙底部,积分待定系数 以 均布荷载 作用为例 同理可求得在 倒三角形荷载 和顶点集中荷 载作用下的 积分系数,微分方程的解 根据结构刚度特征值 和楼层相对高度 求得剪力墙位移,总剪力墙弯矩计算 根据结构刚度特征值 和楼层相对高度 求得剪力墙弯矩,总剪力墙剪力计算 根据结构刚度特征值 和楼层相对高度 求得剪力墙剪力,求得,框架的水平剪力（V）,用图表直接查用，既方便又快捷。（P120-122）,倒三角分布荷载下位移系数,3 框架-剪力墙结构 刚接体系协同工作计算,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。,刚结体系与铰接体系相比：,将连杆切开：,对总剪力墙截面形心取矩,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,增加了约束弯矩,将集中荷载在层高内连续化：,框架计算与铰接体系相同,一、刚接连杆杆端约束弯矩,约束弯矩系数，当梁端有单位转角时，梁端产生的约束弯矩。,两种连系梁 ： 剪力墙与框架之间的连系梁 剪力墙之间的连梁,均可简化为带刚域的梁,令b=0，则得到仅在一端带有刚性段的两端约束弯矩系数：,为考虑剪切变形时的影响系数,当设防烈度为6度和7度时：,当设防烈度为8度和9度时：,二、基本方程及其求解,一根连梁对剪力墙的约束弯矩 连续化假定 ，连续连杆的杆端约束弯矩 第 根连杆对墙肢的 约束刚度 约束刚度: 使连梁产生单位转角所需要的力矩 综合连梁总刚度 ： 每层有 根连杆,综合框架： 综合所有框架的剪切刚度 综合剪力墙：综合所有的剪力墙的刚度 综合连梁：将综合框架和综合剪力墙用联梁连接 第 根带刚域连梁对墙肢的约束刚度 综合连梁总刚度 ： 每层有 根连梁,预备知识 ： 材料力学计算公式, 等代剪力和等代荷载的计算 连梁对剪力墙的约束弯矩 等代剪力 等代荷载, 微分方程的建立 荷载平衡,方程写为,令 则 四阶常系数非齐次线性微分方程 微分方程解 方程的解同铰结体系的微分方程解 结构刚度特征值 中包含了连梁约束刚度 计算剪力 包括连梁对剪力墙约束 弯矩影响,工程应用 计算在不同荷载作用下 剪力墙顶点位移 （即 剪力墙顶点位移 ） 底部总弯矩 底部总剪力 根据 、 查 P 120 图 6.10 图 6.18 得不同荷载作用下的系数,剪力墙位移与内力计算,总剪力墙剪力 广义框架剪力计算 总框架剪力计算 总连梁剪力计算,4 内力分配计算,求出总剪力墙、总框架和总连系梁的内力以后，计算各墙肢、各框架梁、柱及连系梁的内力。,一、剪力墙内力分配计算 得到总剪力墙的内力Mw和Vw后，按各片剪力墙的等效抗弯刚度来分配。第 i层第j个墙肢的内力（共有n个墙肢）为：,二、框架梁、柱内力计算,近似地取各层柱的中点作为反弯点的位置，因此，第i层第j个柱的剪力为:,2020/9/17,56,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,再求连梁剪力及连梁在墙边处弯矩,墙肢转角相同，连梁反弯点在跨中点,三、刚接连梁内力计算,5 框剪结构中刚度特征值对结构荷载分配、内力分配及位移的影响,铰结体系：,刚结体系：,框架的抗推刚度,一、对荷载分配的影响,二、对内力分配的影响,当=6时可见: 总剪力墙在底部承受了大部分剪力，在顶部剪力出现了负值。 总框架顶部承担了较大的正剪力，在下部承担的剪力却很小，在上部剪力沿高度变化比较均匀，最大剪力的位置在结构中部0.3-0.6，而不在结构底部。,三、对结构侧移的影响,为满足剪力墙承受的地震倾覆力矩不小于结构总地震倾覆力矩的50%，应使结构刚度特征值,为了使框架充分发挥作用，达到框架最大楼层剪力 ，剪力墙刚度不宜过大，应使,6 框架-剪力墙结构 在地震作用下的内力调整,一、框架内力调整,2、由于楼板的变形(在设计计算时，楼板在自身平面内是刚度无限大的)，变形的结果就使得框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移。,1、当地震发生时，结构进入弹塑性状态，因剪力墙刚度大，承受的剪力大，因此首先屈服开裂，剪力在框架和剪力墙之间发生一次重分布，使得框架处于危险状态。,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。,调整的原则：,2、当屋面突出部分也采用框架-剪力墙结构时，突出部分框架总剪力取该层框架剪力计算值的1.5倍。,注意：框架内力调整后，剪力墙部分仍保持原协同工作计算值而不作调整。,3、按振型分解反应谱法计算时，应针对振型组合 之后的剪力进行调整。,4、在各层框架总剪力调整后，按调整前后的比例调 整柱和梁的剪力和端部弯矩，但柱轴向力不调整。,二、剪力墙内力的内部调整,考虑到剪力墙内部的塑性内力重分布，允许对剪力墙的内力进行调整： 连梁的调幅系数80%，并将相邻的连梁弯矩值增大，以满足平衡条件。 对双肢剪力墙，不允许出现墙肢全截面受拉(小偏心受拉)情况出现。 若双肢剪力墙一肢出现大偏心受拉的情况，则受压的另一肢的弯矩和剪力均应乘以放大系数1.25。,7 框架-剪力墙结构设计与构造,一、剪力墙布置原则： 均匀、 分散、 对称、 周边,要求片数多,且每片刚度不要太大：单片剪力墙底部承担的剪力不宜超过底部总水平剪力的40%,2）剪力墙中线与墙端边柱中线重合，防止偏心； 3）各片剪力墙的刚度不宜相差悬殊； 4）在楼板有洞口时，两侧布置剪力墙(避免在楼盖中产生不利的内力分布，保证楼盖可靠地传递水平力)。,使刚度中心与质量中心相一致,1、剪力墙的布置 1）竖向荷载较大处 平面形状变化处 楼梯间和电梯间,5）纵向剪力墙的布置应避免大墙肢，可采用留施工洞的方法(为了减小墙体过大刚度及纵向收缩应力的影响）。,6）为了方便施工支模，当缝的宽度较小时，不宜在缝的两侧同时布置现浇剪力墙。,2、剪力墙的最大间距 水平力靠楼盖、屋盖传递，保证协同工作，楼盖在水平方向的支点为剪力墙。为了满足楼盖、屋盖在水平荷载作用下的变形。下表规定的剪力墙的最大间距。,3、剪力墙的数量 剪力墙与框架都应分配一定的水平剪力，一般框架承担的剪力占总剪力的20%40%。,因也有一定的侧向刚度，其抵抗水平荷载的能力应该得到合理的利用,剪力墙起主要作用,框架,二、截面设计及构造要求 在框架-剪力墙结构中剪力墙常常设有暗柱，以便于建筑立面的处理，同时也常常将框架梁或连梁拉通穿过剪力墙，以利于结构受力，这种每层有梁，周边带柱的剪力墙也称为带边框剪力墙，构造要求有所不同。,极限承载力提高42.5%,小 结,1、框架-剪力墙结构发挥了框架和剪力墙这两种结构各自的优点，且具有协同工作性能。在结构下部，剪力墙起主要作用，变形具有弯曲性型特点；在结构的上部，框架的层剪变形相对较小，协同工作迫使剪力墙向外弯曲的程度减小，使结构变形具有剪切型特点。因而框架-剪力墙结构的层间变形上下趋于均匀，往往中部出现最大层间变形，呈现弯剪型变形。,2、框架-剪力墙铰结体系中的连杆代表刚性楼板，它使各榀抗侧力结构在同一楼层处具有相同的侧移。而刚性体系中的连杆既代表楼板又代表框架与剪力墙之间的连梁，连梁的两段存在弯矩，对剪力墙和柱均产生约束弯矩。,3、在框架-剪力墙结构中，剪力墙下部承担的剪力很大，向上迅速减小，甚至出现负剪力，其剪力分布比剪力墙结构中的剪力分布更不均匀；而框架-剪力墙结构中框架上下剪力趋于均匀。,4、在框架-剪力墙结构中，考虑连梁的约束作用时，结构刚度特征值增大，侧向位移减小；剪力墙上部截面的正弯矩增大，下部截面的负弯矩减小，反弯点下移；剪力墙的剪力增大，框架的剪力减小。,5、框架与剪力墙之间的连梁内力很大，计算时常将连梁的刚度乘以折减系数，使连梁的内力减小，其实质是塑性调幅。连梁内力减小后，剪力墙和框架的内力将增大。但连梁的刚度折减系数不应小于0.55，否则连梁将过早屈服，影响正常使用。,2020/9/17,78,6、框剪结构设计中应注意的问题 框剪结构容易满足平面布置灵活和有较大抗侧刚度的要求。此外，由于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（与纯框架结构中，框架层剪力上小下大不同），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,2020/9/17,79,（3）框架结构中剪力墙的数量,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1.12.2为宜,剪力墙数量多，地震震害减轻，多设剪力墙可以提高建筑物抗震性能。但是剪力墙数量愈多，建筑物用料愈多、造价愈高。剪力墙愈多则刚度愈大，自振周期愈短，地震作用愈大，加大了结构的受力。而且，即使剪力墙再多，框架部分耗用的材料并不能减少（因为 ）,框架-剪力墙协同工作的基本概念 基本假定和计算简图（铰结体系与刚结体系） 综合剪力墙刚度和综合框架刚度计算 结构刚度特征值的意义 对荷载分配、内力分配和结构侧移的影响,重 点 内 容,框架、剪力墙、框-剪结构的对比,建筑功能的特点构件类型承力体系刚度水平基本周期与地震作用填充墙体对基本周期的影响变形特征适用高度弹性层间位移限值弹塑性层间位移限值内力分析特点延性设计内容构件设计,建筑功能的特点,框架结构：平面空间较大，建筑布置灵活，能较大限度地满足使用要求，适用于各类建筑物。柱体露出影响美观与使用。剪力墙结构：由于墙体间距不能太大，适用于中小开间建筑，如住宅、公寓、旅馆建筑。有时作成局部剪力墙落地的框支剪力墙结构。框剪结构：吸收两者的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。可广泛地应用于各类房屋建筑。,构件类型,框架结构：柱、梁（一维受力构件），楼板（两维平面外受力构件）剪力墙结构：墙（两维平面内受力构件）、梁（一维受力构件），楼板（两维平面外受力构件）框剪结构：柱、墙、梁、楼板,承力体系,框架结构：梁、板为竖向荷载的水平传力构件，柱为竖向传力构件；柱及梁共同组成抵抗水平力的抗侧力体系。剪力墙结构：梁、板为竖向荷载的水平传力构件，墙为竖向传力构件；墙及墙肢间连梁共同组成抵抗水平力的抗侧力体系。框剪结构：梁、板为竖向荷载的水平传力构件，柱及墙为竖向传力构件；框架与剪力墙共同组成抵抗水平力的抗侧力体系。其中剪力墙是主要的抗侧力构件。,刚度水平,框架结构：抗侧刚度较弱，在风荷载和地震作用下侧移较大，为避免填充墙体的破坏，需要增大柱梁截面满足位移要求剪力墙结构：抗侧刚度较大，为避免结构过刚而引起过大的地震反应，需要控制剪力墙的数量、长度或厚度以及连梁高度使之不宜过刚框剪结构：介于两者之间，控制框架和剪力墙的比率，充分发挥框架和剪力墙各自作用（剪力墙不宜过少也不宜过多）。,基本周期与地震作用,周期框架结构： T1=0.080.1n，（n为结构层数）剪力墙结构： T1=0.05n 框剪结构： T1=0.060.08n,填充墙体对基本周期的影响,由于填充墙加强了结构的抗侧刚度、使结构实际基本周期小于不考虑填充墙的计算结构周期。所以需对计算周期进行折减。折减系数：框架结构： 0.50.7 剪力墙结构： 1.0 框剪结构： 0.80.9,变形特征,框架结构：由于层剪切刚度较弱，以剪切变形为主剪力墙结构：以弯曲变形为主。框剪结构：介于两者之间，为弯剪型。,剪力墙,框架,框架-剪力墙,不同结构的变形图,适用高度,弹性层间位移限值（避免非结构构件在小震下破坏）,1、在高烈度区，框架结构的层间位移要求成为决定柱梁断面尺寸的关键因素。2、剪力墙结构的层间位移要求一般容易满足，设计中主要控制墙体不能太多太长，以免地震反应过大且满足经济性。3、框剪结构则需要合理确定剪力墙数量及位置。因剪力墙承受大部分剪力而数量有限，需要优化布置，设计工作量大。,试验结果统计,弹塑性层间位移限值（避免结构倒塌）,试验结果统计,内力分析特点（简化算法）,框架结构：竖向荷载作用下，有条件使用分层法；水平荷载作用下，使用反弯点法和值法。主要运用了结构力学中等截面直杆弯矩的分配、传递等基础知识。剪力墙结构：因墙体与连梁刚度比较大，墙肢间连梁在竖向荷载作用下可按两端固定支座梁考虑；垂直于墙体的梁可按普通梁计算；水平荷载作用下，根据墙体开洞大小，分别采用材料力学知识（整体墙及小开口墙）、连梁连续化后切口处相对位移为零的微分方程的求解（联肢墙）以及值法（壁式框架）求出整体结构的刚度、位移及内力。框剪结构：根据水平位移协调，引入综合框架和综合剪力墙、综合连梁概念；建立整个结构体系基于弹性地基梁概念的高阶微分方程，根据边界条件求解。,内力分析特点（简化算法）,框架结构：运用了楼板平面内刚度无穷大假定，抗侧刚度及内力分析对象为某榀框架平面受力体系。剪力墙结构：运用了楼板平面内刚度无穷大假定，抗侧刚度及内力分析对象为某榀剪力墙平面受力体系。框剪结构：运用了楼板平面内刚度无穷大假定，抗侧刚度及内力分析对象为整个结构综合等效后的名义剪力墙、框架及连梁。,延性设计内容,框架结构：结构防倒塌设计的梁铰机制要求（强柱弱梁、强剪弱弯）、构件破坏模式的延性要求（强剪弱弯）、保证节点区的承载力要求（强节点区、强锚固）、提高和加强柱根部及角柱、框支柱等受力不利部位的承载力和其他抗震构造措施（ 局部加强、限制柱轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束、设计内力放大）剪力墙结构：结构耗能设计的梁铰机制要求（强墙弱梁、强剪弱弯）、构件破坏模式的延性要求（强剪弱弯）、保证连梁-墙肢的承载力要求（强锚固）、提高和加强底部墙体等受力不利部位的承载力和其他抗震构造措施（ 设置约束边缘构件、限制墙体轴压比、设计内力放大）框剪结构：结合两者的延性设计内容。,主要构件设计,框架结构：柱（偏压、偏拉设计，斜截面抗剪设计）、框架梁（抗弯设计、斜截面抗剪设计、调幅、跨高比大于5）剪力墙结构：墙（偏压、偏拉设计，斜截面抗剪设计）、连梁（抗弯设计、斜截面抗剪设计、调幅、跨高比小于5 ）框剪结构：结合两者的构件设计内容。,习 题,、画图说明各种结构体系的侧向位移曲线有何特点？ 、框架剪力墙结构空间协同工作的原理是什么？ 、框架剪力墙结构铰接体系和刚接体系的计算简图、结构内力分布有何不同？ 、框架剪力墙结构刚度特征值的物理意义是什么？大小的变化对结构的荷载分配、内力分布、侧向位移有什么影响？请画图说明。,