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    《框剪结构》PPT课件.ppt

    • 资源ID:19202515       资源大小:1.06MB        全文页数:94页
    • 资源格式: PPT        下载积分:15积分
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    《框剪结构》PPT课件.ppt

    第六章 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,§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,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 剪力墙顶部 倒三角形荷载 均布荷载 顶部集中荷载,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。(P293-295),倒三角分布荷载下位移系数,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。,§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 293 图 15 44 图 15 - 46 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:,三、刚接连梁内力计算,刚接连梁内力计算分两步: 把各层高范围内的约束弯矩集中成弯矩 作用在连梁上; 根据刚接连梁刚度系数将 按比例分配给各连梁。,§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,剪力墙其主要作用,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。,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,

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