高层建筑结构设计第5章框架一剪力墙结构设计

第第5 5章章 框框架架一一剪剪力力墙墙结结构构设设计计了了解解框框架架剪剪力力墙墙结结构构体体系系协协同同工工作作原原理理。掌掌握握铰铰结结体体系系和和刚刚结结体体系系在在水水平平荷荷载载下下的的计计算算的的内内力力计计算算，结结构构内内力力分分析析比比较较、以以及及刚刚度度特特征征值值对对内内力力的的影影响响熟熟悉悉框框架架剪剪力力墙墙结结构构中中框框架架与与剪剪力力墙墙在在截截面面设设计计中中的的特特殊殊设设计计要要求求。2 2第第5 5章章 框架一剪力墙结构设计框架一剪力墙结构设计第第5 5章章 框框架架一一剪剪力力墙墙结结构构设设计计5 5.1 1 框框框框架架架架剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙协协协协结结结结构构构构布布布布置置置置5 5.2 2框框框框架架架架剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙协协协协同同同同工工工工作作作作原原原原理理理理与与与与计计计计算算算算简简简简图图图图5 5.3 3 铰铰铰铰结结结结体体体体系系系系在在在在水水水水平平平平荷荷荷荷载载载载下下下下的的的的计计计计算算算算5 5.4 4 刚刚刚刚结结结结体体体体系系系系在在在在水水水水平平平平荷荷荷荷载载载载下下下下的的的的计计计计算算算算5 5.5 5 框框框框架架架架剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的内内内内力力力力分分分分配配配配5 5.6 6 框框框框架架架架剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙截截截截面面面面设设设设计计计计5.1框架剪力墙结构布置原那么框框架架剪剪力力墙墙结结构构布布置置原原那那么么双双向向抗抗侧侧力力体体系系刚刚性性连连接接及及构构件件对对中中布布置置剪剪力力墙墙布布置置框框架架剪剪力力墙墙结结构构形形式式剪剪力力墙墙边边框框梁梁和和柱柱的的处处理理框框架架的的抗抗震震等等级级5 55.1框架剪力墙结构布置原那么5.1框架剪力墙结构的构造要求剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的布布布布置置置置剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙宜宜宜宜均均均均匀匀匀匀布布布布置置置置在在在在建建建建筑筑筑筑物物物物的的的的周周周周边边边边附附附附近近近近、楼楼楼楼梯梯梯梯间间间间、电电电电梯梯梯梯间间间间、平平平平面面面面形形形形状状状状变变变变及及及及恒恒恒恒载载载载较较较较大大大大的的的的部部部部位位位位，剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙间间间间距距距距不不不不宜宜宜宜过过过过大大大大；抗抗抗抗震震震震设设设设计计计计时时时时，剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的布布布布置置置置宜宜宜宜使使使使结结结结构构构构两两两两个个个个主主主主轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的侧侧侧侧向向向向刚刚刚刚度度度度接接接接近近近近；平平平平面面面面形形形形状状状状凹凹凹凹凸凸凸凸较较较较大大大大时时时时，宜宜宜宜在在在在凸凸凸凸出出出出局局局局部部部部的的的的端端端端部部部部附附附附近近近近布布布布置置置置剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙；纵纵纵纵、横横横横剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙宜宜宜宜组组组组成成成成 L L形形形形、T T形形形形和和和和形形形形等等等等型型型型式式式式；5.1框架剪力墙结构的构造要求单单单单片片片片剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙底底底底部部部部承承承承担担担担的的的的水水水水平平平平剪剪剪剪力力力力不不不不宜宜宜宜超超超超过过过过结结结结构构构构底底底底部部部部总总总总水水水水平平平平剪剪剪剪力力力力的的的的3 30 0，以以以以免免免免受受受受力力力力过过过过分分分分集集集集中中中中；剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙宜宜宜宜贯贯贯贯穿穿穿穿建建建建筑筑筑筑物物物物的的的的全全全全高高高高，宜宜宜宜防防防防止止止止刚刚刚刚度度度度突突突突变变变变；剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙开开开开洞洞洞洞时时时时，洞洞洞洞口口口口宜宜宜宜下下下下对对对对齐齐齐齐；楼楼楼楼、电电电电梯梯梯梯间间间间等等等等竖竖竖竖井井井井的的的的设设设设置置置置，宜宜宜宜尽尽尽尽量量量量与与与与其其其其附附附附近近近近的的的的框框框框架架架架或或或或剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的布布布布置置置置相相相相结结结结合合合合，使使使使之之之之形形形形成成成成连连连连续续续续、完完完完整整整整的的的的抗抗抗抗侧侧侧侧力力力力结结结结构构构构。抗抗抗抗震震震震设设设设计计计计时时时时，剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的布布布布置置置置宜宜宜宜使使使使结结结结构构构构各各各各主主主主轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的侧侧侧侧向向向向侧侧侧侧度度度度接接接接近近近近。5.1框架剪力墙结构布置原那么框架框架剪力墙结构间距剪力墙结构间距9 95.2协同工作原理与计算简图 一、一、框架剪力墙结构的变形与受力特征框架框架剪切形剪切形 剪力墙剪力墙弯曲形弯曲形框架框架-剪力墙剪力墙弯曲弯曲-剪切形剪切形10105.2协同工作原理与计算简图 一、框架剪力墙结构的变形与受力特征一、框架剪力墙结构的变形与受力特征比照：比照：框架框架剪切型剪切型 层剪力按照层剪力按照D D值分配值分配剪力墙剪力墙弯曲型弯曲型 层剪力按照层剪力按照EIEI值分配值分配框剪框剪弯剪型弯剪型 层剪力按照？分配层剪力按照？分配在下部：剪力墙帮框架受剪在下部：剪力墙帮框架受剪框架底部剪力减少框架底部剪力减少在上部：框架帮剪力墙受剪在上部：框架帮剪力墙受剪框架顶部剪力加大框架顶部剪力加大框框架架剪剪力力墙墙结结构构中中的的框框架架，其其所所受受剪剪力力以以及及层层间间变变形形趋趋于均匀化于均匀化5.2协同工作原理与计算简图 框框架架剪剪力力墙墙结结构构协协同同工工作作特特点点附附加加水水平平力力剪剪力力墙墙受受力力特特点点(P P1 18 84 4图图6 6.1 1)框框架架受受力力特特点点(P P1 18 84 4图图6 6.1 1)水水平平力力分分配配(P P1 18 85 5图图6 6.2 2)框框架架与与剪剪力力墙墙的的剪剪力力分分布布特特点点12125.2协同工作原理与计算简图 均布荷载作用下框架与剪力墙之间的分配均布荷载作用下框架与剪力墙之间的分配5.2协同工作原理与计算简图 二二、结结构构计计算算的的根根本本假假定定：1 1平平面面结结构构假假定定纵纵横横两两主主轴轴方方向向分分别别计计算算2 2刚刚性性楼楼板板假假定定无无扭扭转转时时，同同一一楼楼面面上上各各点点水水平平位位移移相相同同3 3所所有有结结构构参参数数沿沿建建筑筑高高度度不不变变如如有有不不大大的的变变化化，那那么么可可取取沿沿高高度度的的加加权权平平均均值值5.2协同工作原理与计算简图 计计计计算算算算根根根根本本本本思思思思想想想想合合合合分分分分再再再再分分分分1 1首首首首先先先先将将将将所所所所有有有有剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙合合合合并并并并为为为为总总总总剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙，所所所所有有有有框框框框架架架架合合合合并并并并为为为为总总总总框框框框架架架架2 2把把把把总总总总剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙与与与与总总总总框框框框架架架架之之之之间间间间的的的的联联联联系系系系连连连连续续续续化化化化，根根根根据据据据力力力力平平平平衡衡衡衡条条条条件件件件。变变变变形形形形协协协协调调调调条条条条件件件件和和和和力力力力与与与与变变变变形形形形物物物物理理理理关关关关系系系系剪剪剪剪力力力力微微微微分分分分方方方方程程程程协协协协调调调调工工工工作作作作解解解解决决决决荷荷荷荷载载载载在在在在总总总总剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙与与与与总总总总框框框框架架架架之之之之间间间间的的的的分分分分配配配配，得得得得到到到到各各各各自自自自的的的的总总总总内内内内力力力力和和和和共共共共同同同同的的的的变变变变形形形形曲曲曲曲线线线线3 3总总总总剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的总总总总内内内内力力力力按按按按各各各各片片片片墙墙墙墙的的的的等等等等效效效效抗抗抗抗弯弯弯弯刚刚刚刚度度度度E EI I分分分分配配配配到到到到各各各各片片片片墙墙墙墙，总总总总框框框框架架架架的的的的总总总总内内内内力力力力按按按按各各各各柱柱柱柱的的的的抗抗抗抗侧侧侧侧刚刚刚刚度度度度D D值值值值分分分分配配配配至至至至各各各各柱柱柱柱1515三、两种计算简图三、两种计算简图根根据据总总剪剪力力墙墙与与总总框框架架之之间间的的联联系系性性质质，框框架架剪剪力力墙墙结结构构的的计计算算简简图图可可分分为为两两类类铰铰结结体体系系与与刚结体系刚结体系1 1通通过过楼楼板板联联系系简简化化为为铰铰结结连连梁梁，形形成成铰铰结体系结体系总剪力墙总剪力墙总框架总框架5.2协同工作原理与计算简图 16165.2协同工作原理与计算简图(2)(2)通通过过楼楼板板和和连连梁梁联联系系简简化化为为刚刚结结连连梁梁，形形成成刚结体系刚结体系主主要要考考虑虑连连梁梁对对剪剪力力墙墙的的刚刚结结端端，当当梁梁很很弱弱时时也也可可忽忽略略其其约约束束作作用用而而处处理理成成铰铰结结端端；框框架架与与总总连连梁梁间间为为铰铰结结，表表示示楼楼板板的的连连接接作作用用，至至于于梁梁对对框框架架柱柱的的约束作用将反映在约束作用将反映在D D值中值中总剪力墙总剪力墙总框架总框架17175.3 铰结体系协同工作计算 1 1、总剪力墙及总框架的刚度计算、总剪力墙及总框架的刚度计算总剪力墙抗弯刚度总剪力墙抗弯刚度 ，为每片墙的等效抗弯刚度为每片墙的等效抗弯刚度总总框框架架抗抗推推刚刚度度 ，表表示示产产生生单单位位层层间间角角位位移移所所需需的的推推力力，如以下图所示如以下图所示框架抗剪刚度框架抗剪刚度框架的框架的D D值值18185.3 铰结体系协同工作计算 2 2、微分方程的建立、微分方程的建立力荷载平衡条件：力荷载平衡条件：变形协调条件变形协调条件19195.3 铰结体系协同工作计算 力与变形关系力与变形关系 剪力墙剪力墙 框架框架20205.3 铰结体系协同工作计算 上式联立，经整理可得上式联立，经整理可得引入引入 称为刚度特征值称为刚度特征值那那么么得得21215.3 铰结体系协同工作计算 由上式可解出结构的侧移由上式可解出结构的侧移y y，并由此求出：并由此求出：22225.3 铰结体系协同工作计算 3 3、计算图表的应用、计算图表的应用1 1根根据据荷荷载载形形式式有有三三种种、刚刚度度特特征征值值 和和高高度度坐坐标标 查图表得系数查图表得系数2 2根根据据荷荷载载形形式式按按悬悬臂臂杆杆计计算算顶顶点点侧侧移移fHfH，底底截截面面弯弯矩矩M0M0和底截面剪力和底截面剪力V0V03 3计计算算结结构构顶顶点点侧侧移移y y、总总剪剪力力墙墙弯弯矩矩MwMw和和剪剪力力VWVW以以及及总框架剪力总框架剪力VFVF23235.4 刚结体系协同工作计算 刚刚结结体体系系与与铰铰结结体体系系的的主主要要区区别别在在于于：总总剪剪力力墙墙与与总总框框架架之之间间的的连连梁梁对对墙墙肢肢有有约约束束弯弯矩矩。即即连连梁梁切切开开后后，除除轴轴力力外外，还还有有剪剪力力，将将剪剪力力向向墙墙肢肢截截面面形形心心取取矩矩，并并沿沿高高度度连连续续化化，便便形形成成分分布布的的约约束束弯弯矩矩 m mx x，如如图图。即即连连梁梁对对墙墙肢肢具具有有约束作用约束作用24245.4 刚结体系协同工作计算 1 1、刚结连梁对墙肢端约束弯矩、刚结连梁对墙肢端约束弯矩m(x)m(x)的计算的计算剪力墙与框剪力墙与框架间的连梁架间的连梁剪力墙之剪力墙之间的连梁间的连梁刚刚域域取取法法和和连连梁梁约约束束弯弯矩矩系系数数参参照壁式框架照壁式框架2525 5.4 刚结体系协同工作计算 1 1两端有刚域的约束弯矩系数连梁两端均为剪力墙两端有刚域的约束弯矩系数连梁两端均为剪力墙2 2另另一一端端有有刚刚域域的的约约束束弯弯矩矩系系数数连连梁梁一一端端为为剪剪力力墙墙，另另一端为框架一端为框架26265.4 刚结体系协同工作计算 3 3当当转转角角为为(x)(x)，同同一一层层有有n n个个刚刚结结点点，并并沿沿层层高高h h离离散散使使之连续化，那么总线约束弯矩为之连续化，那么总线约束弯矩为钢结连梁的约束弯矩使剪力墙钢结连梁的约束弯矩使剪力墙x x截面产生的弯矩为：截面产生的弯矩为：相应的剪力相应的剪力(等代剪力等代剪力)：相应的荷载相应的荷载(等代荷载等代荷载)：钢钢结结连连梁梁的的约约束束弯弯矩矩所所分分担担的的剪剪力和荷载力和荷载27275.4 刚结体系协同工作计算 2 2、微分方程的建立与铰结体系相仿、微分方程的建立与铰结体系相仿28285.4 刚结体系协同工作计算 经整理可得经整理可得引入引入那么得那么得29295.4 刚结体系协同工作计算 比较铰结体系比较铰结体系1 1微微分分方方程程相相同同，因因此此铰铰结结体体系系中中微微分分方方程程的的解解及及图图表表对对刚刚结体系均适用结体系均适用2 2 值的计算不同值的计算不同3 3刚刚结结体体系系的的 相相当当于于铰铰结结体体系系的的 ，因因此此剪剪力力计计算算两者不同，即两者不同，即用图表得：用图表得：由平衡条件：由平衡条件：铰结体系铰结体系刚结体系刚结体系式中式中：称为框架广义剪力：称为框架广义剪力30305.4 刚结体系协同工作计算 3 3、计算步骤、计算步骤(1)(1)由荷载形式、由荷载形式、查图表，得系数查图表，得系数(2)(2)按悬臂杆计算按悬臂杆计算(3)(3)位移与内力位移与内力结构顶点位移结构顶点位移 总剪力墙总弯矩总剪力墙总弯矩总框架广义剪力总框架广义剪力总框架总剪力总框架总剪力总连梁总约束弯矩总连梁总约束弯矩总剪力墙总剪力总剪力墙总剪力31315.5 构件内力计算问问题题：求求出出总总剪剪力力墙墙、总总框框架架、总总连连梁梁的的内内力力后后，如如何何计计算算各各墙肢、框架梁、框架柱及连梁的内力墙肢、框架梁、框架柱及连梁的内力1 1、剪力墙的内力、剪力墙的内力按各片墙的等效抗弯刚度按各片墙的等效抗弯刚度 分配总剪力墙的总内力，即分配总剪力墙的总内力，即32325.5 构件内力计算2 2、框架梁柱的内力、框架梁柱的内力按按照照各各柱柱的的抗抗侧侧刚刚度度D D值值分分配配总总框框架架的的总总剪剪力力VFVF，并并取取各各楼楼层层上上、下下两两层层楼楼板板标标高高处处的的VFVF的的平平均均值值作作为为该该层层柱柱中中点点反反弯弯点点的的剪剪力力，据据此此剪剪力力按按平平衡衡条条件件再再求求梁梁柱柱的的其其他他内内力力，各各层层柱柱中点的剪力为中点的剪力为为为了了保保证证框框架架的的平平安安，高高规规规规定定：VFVF应应不不小小于于0.2V00.2V0；对对VF0.2V0VF0.2V0楼楼层层，设设计计时时取取1.5 1.5 和和0.2V00.2V0的的较较小小值值，其其中中V0V0为为地地震震作作用用产产生生的的结结构构底底部部总总剪剪力力，为为各各层层框框架架局局部承担的总剪力中的最大值部承担的总剪力中的最大值33335.5 构件内力计算3 3、连梁的内力、连梁的内力按按连连梁梁的的刚刚结结端端刚刚度度系系数数分分配配总总连连梁梁的的总总约约束束弯弯矩矩，得得连梁在墙肢轴线处的弯矩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墙肢转角相同，连梁反弯点在跨中点34345.5 构件内力计算1 1、刚度特征值、刚度特征值 对框架结构受力和位移特征的影响对框架结构受力和位移特征的影响刚刚度度特特征征值值，反反映映了了框框架架抗抗推推刚刚度度包包括括连连梁梁约约束束刚刚度度与与剪剪力力墙墙抗抗弯弯刚刚度度的的比比值值影影响响。当当 0 0时时即即为为纯纯剪剪力力墙墙结结构构，当当 时即为纯框架结构时即为纯框架结构 (1)(1)位移曲线位移曲线 166时，变形曲线呈剪切形时，变形曲线呈剪切形 1 16 6时，变形曲线呈弯剪型或反时，变形曲线呈弯剪型或反S S型型 35355.5 构件内力计算 (2)(2)剪力分配剪力分配沿高度沿高度 不成一定比例不成一定比例在底部：剪力墙的剪力最大，框架的剪力为在底部：剪力墙的剪力最大，框架的剪力为0(0(近似计算造成近似计算造成)在在上上部部：剪剪力力墙墙出出现现负负剪剪力力，而而框框架架承承担担的的剪剪力力比比外外荷荷载载产生的剪力还要大产生的剪力还要大在顶部：剪力墙与框架的剪力都不等于在顶部：剪力墙与框架的剪力都不等于0 036365.5 构件内力计算 (3)(3)水平荷载分配水平荷载分配对剪力对剪力 和和 微分后可得荷载微分后可得荷载 和和 。在在底底部部：剪剪力力墙墙所所受受的的荷荷载载 比比外外荷荷载载 大大，而而框框架架承承受受反反向荷载；向荷载；在在顶顶部部：剪剪力力墙墙与与框框架架有有大大小小相相等等、方方向向相相反反的的集集中中力力，这这是由于它们的顶部剪力不等于是由于它们的顶部剪力不等于0 0的缘故的缘故37375.5 框架内力调整2 2、框剪结构设计中应注意的问题、框剪结构设计中应注意的问题框框剪剪结结构构容容易易满满足足平平面面布布置置灵灵活活和和有有较较大大抗抗侧侧刚刚度度的的要要求求。此此外外，由由于于框框架架与与剪剪力力墙墙协协同同工工作作，使使框框架架层层剪剪力力分分布布，从从底底到到顶顶趋趋于于均均匀匀与与纯纯框框架架结结构构中中，框框架架层层剪剪力力上上小小下下大大不不同同，这这对对框框架架的的设设计计十十分分有有利利框框架架柱柱和和梁梁的的断断面面尺尺寸寸和和配配筋筋可可以以上上下下比比较较均匀均匀38385.5 框架内力调整由此可以看出三个值得注意的问题：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按框架剪力墙结构重新核算2剪力墙与框架协同工作的根本条件是：传递剪力墙与框架协同工作的根本条件是：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距不能超过规定限值3框架结构中剪力墙的容量框架结构中剪力墙的容量39395.5 框架内力调整调整方法调整方法框架局部承担的地震剪力满足：框架局部承担的地震剪力满足：不不满满足足上上式式要要求求的的楼楼层层，其其层层框框架架总总剪剪力力应应按按 0.2 0.2 V0V0和和 1.5 Vf,max(1.5 Vf,max(最大剪力最大剪力)二者的较小值采用；二者的较小值采用；5.6框架剪力墙结构的构造要求5.6框架剪力墙结构的构造要求带带带带边边边边框框框框的的的的剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的设设设设计计计计规规规规定定定定5.6框架剪力墙结构的构造要求带带带带边边边边框框框框的的的的剪剪剪剪力力力力墙墙墙墙的的的的设设设设计计计计规规规规定定定定5.6框架剪力墙结构的构造要求板板柱柱剪剪力力墙墙设设计计的的规规定定5.6框架剪力墙结构的构造要求5.6框架剪力墙结构的构造要求板柱剪力墙设计中，板的构造设计规定