《抗侧力结构受力》PPT课件.ppt

第3章 抗侧力结构受力、变形概念,3.1双重抗侧力体系的受力和变形性能,双重抗侧力体系的特点是：由两种受力和变形性能不同的超静定抗侧力结构组成，每种抗侧力结构都具备足够的刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接而协同工作，共同抵抗外力。在地震作用下，当其中一部分有所损伤时，另一部分有足够的刚度和承载力能够承受较多地震作用，损伤部分可以与它共同担当抗震任务，或者它能够单独抵抗后期地震，抗震结构设计成双重抗侧力体系可以实现多道设防，是安全而可靠的抗震结构体系。,常用双重抗侧力体系： 框架剪力墙（筒体） 框架核心筒 筒中筒 纯框架和剪力墙结构以及板柱剪力墙结构均不是双重抗侧力体系。当然，实际工程中可以考虑填充墙对结构初始刚度的功献，以及在遭遇地震初期填充墙破坏造成结构刚度变小，地震作用会减小，从概念上填充墙可视为框架结构第一道抗震防线。,3.1.1框架剪力墙（筒体）结构,框架水平荷载剪力型变形 通过刚性楼板协同工作 弯剪型 剪力墙水平荷载弯曲型变形 框架剪力墙在协同工作中的表现可以用刚度特征值来评价 6 剪力墙刚度远小于框架，呈现框架结构特征 1 6 框剪结构,注意： 1、框剪结构中框架柱很少时，进行结构力学计算分析时应按剪力墙结构考虑。 2、框架结构为控制侧移，在一个方向或双向布置少量剪力墙或在抗震缝两侧设防撞墙，墙体很少时结构力学计算分析时应按框架考虑，如采用三维计算机软件建模，宜按框剪模型，这样算出的墙体内力才符合实际情况。,双重抗侧力体系的内力调整： 1.“高规”中规定：钢筋混凝土框架剪力墙 （筒体）结构，框架承担的层剪力至少为基底剪力的20或框架计算出的最大层剪力的1.5倍（取二者中的较小值）。当框架实际剪力分配比例达不到该值时，应当按上述规定增大框架内力同时剪力墙层剪力不得减小。这一规定是保证中震和大震作用下结构的安全。 2.当剪力墙承担的地震作用倾覆弯矩小于总倾覆弯矩的50时，框架按纯框架确定抗震等级。 3.短肢剪力墙较多的剪力墙结构，短肢剪力墙应提高抗震等级，防止结构在中、大震时出现连锁倒塌现象。 4.板柱剪力墙中板柱形成弱框架，板柱至少应承担20的基底地震剪力。,3.1.2筒中筒与框架核心筒结构,1.筒中筒结构的受力特点,双重抗侧力体系 :周边密柱深梁框架形成框筒，承受 50 以上倾覆力矩; 中部实腹筒承担70以上剪力。 翼缘框架 框筒 共同抵抗水平荷载产生的弯矩，不需 腹板框架 要进行内力调整。 深梁的作用：将角柱轴力传递至中柱，减小剪力滞后效应。,2.框架核心筒,周边稀柱和普通框架梁无法形成框筒，在水平荷载作用下，边柱剪力滞后效应较严重。对平板楼盖，边柱轴力随柱距加大而减小，角柱轴力大于中柱。因此，框架-筒体结构的翼缘框架通过深梁传递轴力作用可以忽略。 框筒平面形状可以随意，结构平面可以不设置角柱。,框架核心筒与筒中筒结构的比较 下图中112分别对应图3-5中112轴的框架柱,由图3-6可见，框架核心筒翼缘框架的柱子不仅轴力小，柱数量又较少，翼缘框架承受的总轴力要比框筒小得多，轴力形成的倾覆力矩也小得多。结构主要是由(1)、(4)轴两片框架（腹板框架）和实腹筒协同工作抵抗侧力，角柱作为（1）、（4）轴两片框架的边柱而轴力较大。从（1）、（4）轴框架本身的抗侧刚度和抗弯、抗剪能力看，也比框筒的腹板框架小的多，因此，框架核心筒结构抗侧刚度小得多。,框架核心筒中实腹筒为主要抗侧力部分，而筒中筒中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主。 肋梁楼盖 密柱深梁框筒抵抗倾覆弯矩的实质是各柱均有轴大轴力，两列柱之间距离形成力臂，由于力臂大形成的抵抗矩也大。 平板楼盖改为肋梁楼盖可以减小框架核心筒剪力滞后效应。,3.1.1钢混凝土混合框架核心筒结构,1.应按双重抗侧力体系设计。 2.注意框架内力调整，合理的方法是按每层层剪力的比例调整各层剪力。地震区调整幅度宜随设防烈度的不同而改变。例如6、7度区0.2v，8度区0.25v。 3、非抗震或6度设防区可以按非双重抗侧力体系设计，内筒承担100剪力，外框架0.10.15v。 4、限制在高设防烈度区的建造高度。由于该体系未经实际地震检验，框架抗扭刚度，竖向构件差异变形差等问题不易解决。 5、钢骨混凝土柱，钢管混凝土柱的使用有利于提高框架抗剪承载力和刚度。 6、高度较高或设防烈度较高时，核心筒可采用钢骨混凝土提高延性。,3.2框架核心筒与板柱筒体结构,前者是双重抗侧力体系，后者不是。 板柱筒体结构设计要点： 1.限制高度 2.周边布置框架梁 3.弱框架（板带与柱形成的框架）承担20基底剪力，核心筒承担全部剪力 4.如有中柱，中柱仅承担竖向荷载，但必须考虑p-效应,3.3框架核心筒伸臂结构的受力和变形性能,超高层（一般B级高度）框架核心筒结构为控制结构侧移在内筒与外柱之间设置由一层或数层高的桁架、空腹桁架组成的刚性梁，称为伸臂。 伸臂的作用原理：,（1）伸臂利用自身抗弯刚度大的特点，在结构侧移时，使一侧的柱拉伸，另一侧柱压缩，柱承受较大轴力，增加外柱抵抗倾覆力矩的能力。 （2）伸臂使内筒产生反向约束弯矩，减小内筒弯矩，同时减小整体侧移。 无论采用“平板”或“肋梁”楼盖均可增大中柱轴力，但“肋梁楼盖”连接内筒与外柱的大梁对增加中柱轴力效果不明显，因此，设置伸臂后可减小次梁高度，提高建筑净空。 伸臂的不利影响：结构内力沿高度突变，不利于抗震，对外柱尤为不利。,3.4加强层的设计概念,伸臂钢桁架 环向构件周边桁架 加强层 帽桁架结构顶部 刚性桁架 减小内筒和外柱竖向 腰桁架中间楼层 变形差 刚性桁架 以上三者不一定同时设置，但设置时伸臂和环向构件一般在同一层。,3.4.1 伸臂设置的位置和数量,由于高层尤其是超高层一般都有设备层和避难层，因此，伸臂一般布置在这些位置。 伸臂存在优化布置问题，一般情况下，有如下结论： （1）当只设置一道伸臂时，最佳位置在底部固定端以上（0.600.67）H之间，H为结构总高度。也就是说设置一道伸臂时，大约在结构的2/3高度处设置伸臂效果最好。 （2）设置两道伸臂的效果会优于一道伸臂，侧移会更小，当设置两道伸臂时，如果其中一道设置在0.7H以上（也可在顶层），则另一道设置在0.5H处，这样可以得到较好的效果。 （3）设置多道伸臂时，会进一步减小位移，但位移减小并不与伸臂数量成正比，设置伸臂多于4道时，减小侧移的效果基本稳定，当设置多道伸臂时，一般可沿高度均匀布置。,3.4.2 设置伸臂的效果和概念,设置伸臂的主要目的：增大外柱的轴力，从而增加外框架抗倾覆力矩，增加抗侧刚度，减小侧移。一般框架-核心筒结构加伸臂可减少位移1520；而筒中筒结构效果不明显，大约仅有510。伸臂的作用原理与框筒密柱深梁的作用相似。 设置伸臂的效果：一道伸臂的减小侧移的效率最高，而多道伸臂减小侧移的总量加大，但效率降低。,伸臂结构的设计概念： （1）在筒中筒结构中，框筒主要依靠密柱深梁使翼缘框架各柱均匀受力，结构抗侧刚度很大，伸臂的作用与此重复，设置伸臂的作用相对较小，反而带来柱沿高度内力突变的不利后果，因此在筒中筒结构中，一般不再设置伸臂。 （2）当采用框架核心筒结构时，一般在非地震区或烈度不高的地震区，由风荷载控制结构设计时，用设置伸臂方法增加结构抗侧刚度和减小位移是较好的方案选择。在中等地震和强震地区，则应该做方案比较，要看层间位移是否满足规范和规程要求，相差多少，慎重选择伸臂的刚度和数量。如果不加伸臂的结构层间侧移已能满足规范和规程的要求，则不必设置伸臂，例如大连远洋大厦，就没有设置伸臂。详见42页图2-17,（3）设置伸臂方案可以有多种选择： 选择有效部位，设置一道刚度不大的伸臂 设置多道伸臂，每道伸臂本身刚度不大 每层设置刚度较大的连接内筒和外柱的框架大梁,3.4.3 伸臂的结构形式和连接,一般采用钢桁架 伸臂与内筒或外柱的刚性节点不宜一次拧紧到位，以适应筒和柱的竖向变形差异，避免产生次应力。,3.4.4 环向构件,周边封闭桁架起到环箍作用 协调周围各柱的变形，减小变形差，减小稀柱剪力滞后效应,3.4.5 腰桁架和帽桁架,腰桁架 环向封闭桁架 环向构件 帽桁架 顶部刚性桁架 伸臂 腰桁架和帽桁架主要作用是减小内筒和外柱竖向变形差，与伸臂或环向构件并无明显区别。,3.5 筒中筒与框架核心筒及框筒伸臂 结构设计概念比较,因为框架核心筒是高层结构中应用较广的结构形式，在设计中应注意以下问题:,1)框架核心筒结构内力分配的特点是外框架承受的剪力和倾覆力矩都较小。在钢筋混凝土框架核心筒结构中，外框架构件截面不宜过小。 2)与筒中筒结构不同，框架核心筒结构的抗扭刚度较差，因此内筒布置偏离中心的影响较大，会使水平荷载作用下的扭转增加。框架核心筒结构应注意扭转问题，提高抗扭刚度和抗扭承载力。 3)框架核心筒结构中钢筋混凝土实腹筒是主要的抗侧力部分，承载力和延性要求都应更高，抗震时要采取提高延性的各种构造措施。,框架核心筒结构的楼板内可以布置大梁也可以不布置大梁。但是建筑周边的柱与梁必须刚接形成框架。 框架核心筒伸臂结构中，要求在平面上伸臂对称布置，一般情况下在两个方向同时设置；但是有时也可只在一个方向设置伸臂。 伸臂一端与外柱连接，另一段与内筒连接，必须与同方向的剪力墙对齐（布置在两个方向剪力墙的交汇处），这样才有可能使伸臂中的钢构件或混凝土构件的主要钢筋贯通剪力墙，以便剪力墙承受伸臂传来的弯矩和剪力。,3.6 框架和框筒结构的转换层,3.6.1 上下柱在同一平面内转换 间距小的上柱转换成间距大的下层柱 特点：柱在同一平面，相对较简单，受力明确 转换层上下刚度相差不大 转换构件：实腹大梁，平面桁架,3.6.2 上下柱不在同一平面内的转换,立面收进，柱沿竖向柱网改变 转换构件（1）斜撑式转换构件 （2）斜柱 （3）转换块：从配筋实质看是拉 压杆机构（用于柱沿立面内收）,3.7 底部大空间剪力墙结构的设计概念和转换层,3.7.1框支剪力墙 框支转换梁拉弯构件 转换构件 托梁转换梁 托梁上部一定高度剪力墙 震害揭示：凡是采用框支剪力墙结构而来作特殊处理者，在大地震中均遭受严重破坏。,3.7.2 底部大空间剪力墙结构的设计概念,1.不允许将全部或大部分剪力墙设计成框支，必须有一定数量上下贯通的剪力墙，这是震害总结出的经验。 加强框支层刚度，控制转换层上下层刚度比 底部层框架时，采用剪切刚度比： 底部多层框架时，采用剪弯刚度比：,采用空间三维整体分析软件时，可以从计算结果中取出以下参数来分析转换层上下刚度比，这比用规范附录中的简化方法精确可靠 (1)转角比（剪弯刚度比）抗震时控制在0.71.4 (2)层抗侧刚度比（剪切刚度比）,2.提高框支层构件的承载力，避免出现薄弱层 框支柱内力调整 落地剪力墙内力调整 加强落地墙的延性,3.7.3 转换构件,实腹转换梁：传力直接，转换层刚度相对不大。但注意：地震作用下破坏部位一般在柱上下端。 箱形转化梁：层刚度较大，不如实腹梁抗震性能好，高位转换不能用。 厚板转换：层刚度、质量都很大，抗震非常不利，6度以上设防时慎用！ 转换层优化设计,3.7.4 剪力墙结构的高位转换,理论分析表明： （1）转换层楼层升高使结构周期和振型略有变化，但不会引起很大变化；但是如果转换层位置正好与高振型的较大振幅值位置重合，则高振型影响将加大，特别当转换层刚度及重量较大时，影响会更大。 （2）转换层升高对顶点位移、总层剪力和总倾覆力矩的影响也不大；但是在框支剪力墙和落地剪力墙之间的剪力分配会有较大变化，转换层附近楼层的剪力交换会出现突变，楼板将承受较大的剪力。 （3）转换层以上一层可能出现层间位移角突变，但是转换层位置升高并不会使突变更加严重，最大层间位移角的绝对值还可能减小，减小层间位移角突变的关键是调整上、下的相对刚度。,（4）加强转换层以下结构刚度，有利于减小框支部分层间位移的绝对值，也有利于减小和缓和剪力分配的突变程度。 （5）高位转换结构中，减小上部结构的重量和刚度、减小转换层本身的刚度和重量对改善楼层处的内力突变影响明显。高位转换的结构应当加强结构优化。,设计建议：,（1）由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，应当优化调整上、下结构的布置和刚度，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近更是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大，最终可通过水平力（静力）作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。 （2）宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。 （3）通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，要分析和预见结构的屈服和破坏模式，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能，控制结构的破坏部位。 （4）在高层建筑中，高位转换的底部大空间剪力墙结构宜进行弹塑性计算（弹塑性静力分析或时程分析），以检验大震下的塑性铰分布规律和层间变形，保证结构在大震下的安全。,3.8 短肢剪力墙较多的剪力墙结构的设计 概念,短肢剪力墙属抗震不利构件，“高规”中这种结构体系是限制使用的,注意：,（1）两片短肢墙通过跨高比很小的连梁相连，则不属于短肢剪力墙了。 （2）L型剪力墙，一个方向长度属于普通剪力墙，另一方向长度属短肢墙或小墙肢长度范围，这种剪力墙为带翼缘普通剪力墙。SATWE软件在判断这种剪力墙上有问题。TAT软件好像是正确的。,短肢剪力墙潜在危险,（1）地震作用下当普通剪力墙开裂逐步推出工作后，短肢墙没有足够延性和承载力，可能随之而破坏。 （2）短肢墙一旦破坏，承担竖向荷载的楼板受到严重威胁，可能发生“连续倒塌”,“短肢剪力墙较多”的介定：从概念上可认为短肢剪力墙