建筑结构选型框剪结构.doc

建筑结构选型课程大纲（研硕2012秋） 框剪结构框剪结构一、 历史沿革框剪结构作为高层建筑的主要代表之一，是近代经济发展和科学技术进步的产物，至今已有100余年的历史，是城市现代化的象征。其发展速度很快，近30年来，世界各地兴建的高层建筑，其规模之大，数量之多，技术之先进，形式之多样，外观之新颖，无一不让人惊叹称奇在20 世纪初，高层建筑开始迅速发展，在这个时期由于在结构理论方面突破了纯框架抗侧力体系，提出在框架结构中设置竖向支撑或剪力墙，来增加高层建筑的侧向刚度。这也就形成了框架剪力墙结构的雏形。正是由于这样一个理论的突破而使得高层建筑结构的发展得到突飞猛进。二、 基本组成 框架-剪力墙结构，是由框架和剪力墙共同组成的结构与体系，简称框-剪结构。这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度，框剪结构的受力特点，是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。图1 框架剪力墙结构在下部楼层，剪力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力，上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外侧的趋势，而框架则有内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线变形，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，剪力墙不但不承受荷载产生的水平力，还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力，所以，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。 图2 框架、剪力墙结构各自的变形图与协同工作后的变形图而框支剪力墙，指的是这样一种结构，结构中的局部，部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架梁上，再由框架梁将荷载传至框架柱上，这样的梁称为框支梁，柱称为框支柱，上面的墙就叫框支剪力墙。框支剪力墙是一个局部的概念，因为结构中一般只有部分剪力墙会是框支剪力墙，大部分剪力墙一般会落地的。三、 分类和计算简图按照剪力墙之间和墙跟框架之间有无连梁，或者是否考虑这些梁对剪力墙转动的约束作用，框架-剪力墙结构可分成下列两类：（1） 框架-剪力墙铰结体系：例如图1-1a所示的结构单元平面，在水平荷载作用方向，在剪力墙之间以及剪力墙和框架之间均无连梁连系，仅通过楼板把各榀剪力墙和框架连成整体，共同抗御水平荷载。这类框-剪体系的计算简图如图1-1b所示。总剪力墙代表图1-1a中2榀剪力墙的综合，而总框架则代表所有4榀框架的综合。在总剪力墙和总框架之间，在每个楼层标高处，有一根两端铰接的连杆。这一列铰接连杆代表各层楼板把各榀剪力墙和框架连成整体，共同抗御水平荷载的作用。连杆是刚性的，即其轴向刚度EA=，反应刚性楼板的假定，保证总剪力墙和总框架在每一楼层标高处的水平位移相等。由于连杆两端是铰接的，故称这类结构为框架-剪力墙铰结体系。图3 框架-剪力墙铰结体系（2） 框架-剪力墙刚结体系：例如图1-2a所示的结构单元平面，在第和第轴线处，两墙肢间在水平荷载方向有一列连梁，且在第轴线的剪力墙和框架之间，在该方向也有一列连梁。这类框-剪结构体系的计算简图如图1-2b所示。总剪力墙代表所有5榀墙肢的综合。总框架则代表在水平荷载方向所有7榀框架的综合，其中6榀是三跨框架，轴线的一榀为单跨框架。在总剪力墙和总框架之间有一列总连梁，把总剪力墙和总框架连成整体。总连梁代表了第三轴线三列连梁的综合。总连梁两端跟总剪力墙和总框架刚结，所以把这类结构体系称为框架-剪力墙刚结体系。 总连梁跟总剪力墙刚结的一列梁端，实际上代表了3列连梁5列梁端（轴线各两列梁端，轴线一列梁端）跟5榀墙肢刚结的综合。 总连梁跟总框架刚结的一列梁端，代表轴线处一列梁端跟单跨框架的刚结，以及楼板跟其他各榀框架的铰结。图4 框架-剪力墙刚结体系四、 力学特点与计算方法1. 力学特点框架剪力墙结构由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成。这两种结构的受力特点和变形性质都不相同。剪力墙是竖向悬臂弯曲结构，其变形曲线是弯曲型，如同竖向悬臂梁，楼层越高水平位移增长越快。在一般剪力墙结构中，由于所有的抗侧力结构都是剪力墙，侧移曲线类似，所以水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度比例分配。框架的工作特点类似于竖向悬臂剪切梁，其变形曲线为剪切型，楼层越高水平位移增长越慢。在纯框架结构中，所有框架的变形曲线类似，所以水平力按各框架的抗推刚度比例分配。但是，框架-剪力墙结构在同一结构单元中，既有框架，又有剪力墙，它们之间通过面内刚度无限大的楼板连接在一起，它们不能再自由变形，在不考虑扭转的情况下，它们在同一楼层上位移必须相同，这样一来，框剪结构的位移曲线就成了一条反S形的曲线。在下部楼层，剪力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力；上不楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外倒的趋势；而框架则呈内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线变形，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；剪力墙不但不承受荷载产生的水平力，还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力。所以，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。2. 分析计算方法2.1 计算思路 计算框剪结构在水平荷载下内力时，可分如下步骤进行： 求某一方向的内力时，将该方向各片剪力墙合成一片总剪力墙，将该方向各榀框架合成一榀总框架，将该方向同一层各根连梁合成一根总连梁，对总剪力墙，总框架，总连梁进行协同工作分析。 按等效抗弯刚度比，将总剪力墙的内力分配给每片墙；按柱的抗侧刚度，将总框架的内力分配给每根柱。 2.2基本假定 1）楼板在自身平面内的刚度为无限大，楼板在平面外刚度很弱，计算时刚度为零。这保证了楼板将整个结构单元内的所有框架和剪力墙连为整体，不产生相对变形。 2）房屋的刚度中心与作用在结构上的荷载合力作用点重合， 房屋不产生绕竖轴的扭转。2.3计算简图 图5 框剪结构计算简图2.4两种体系的计算简图 铰接体系 图6 铰接体系计算简图刚接体系 图7 刚接体系计算简图2.5铰接体系计算过程 采用连续化的方法，把沿着连杆切开后各层杆件中的未知力转化成连续的未知函数，如下所示： 由材料力学中梁弯矩，剪力，分布力关系和梁的挠曲线微分方程可建立如下微分方程：定义框架剪切刚度：将定义的框架剪切刚度，代入求解：通解：约束条件：可得微分方程的解：由位移，连续求导，即可得到转角，弯矩和剪力：实际设计中，将结果绘制成图表，以供查用： 求得框架，剪力墙的总内力后，按等效抗弯刚度比，将总剪力墙的内力分配给每片墙；按柱的抗侧刚度，将总框架的内力分配给每根柱，再按框架，剪力墙章节中介绍的方法计算。 2.6刚接体系计算过程与铰接体系类似，因为节点刚接，处理方法略有不同，方法如下1）把框架-剪力墙结构沿连梁的反弯点切开；2）连梁的轴力体现了总框架与总剪力墙之间相互作用的水平力 qf(z) ；3）把总连梁沿高度连续化后，连梁剪力就化为沿高度连续分布的剪力v(z) ；4）将分布剪力向剪力墙轴线简化，则剪力墙将产生分布轴力 v( z) 和线约束弯矩 m( z) 。之后按铰接体系类似的方法进行分析计算。2.7计算软件 现代设计中，一般不采用手算的方法，而是采用计算软件进行计算。常用的计算框剪结构的软件有：PKPM系列软件（TAT，SATWE）、TBSA系列软件（TBSA，TBWE，TBSAP）、CSI系列软件（ETABS，SAP2000）和MIDAS系列软件等。 图8 计算软件建模计算五、 构造要求1. 截面尺寸要求1） 剪力墙 周边有梁、柱的剪力墙，厚度不应小于160mm，且不应小于墙净高的1/20。墙的中线与边柱中心宜重合，防止偏心。2） 梁 梁的截面宽度不宜小于墙厚的2倍。梁的截面高度不宜小于墙厚的3倍。3） 柱 端柱宽度不宜小于墙厚的2.5倍，柱的截面高度不小于柱宽度。2. 配筋要求1） 最小配筋率 非抗震设计：水平和竖向钢筋的最小配筋率不小于0.2%；直径不小于8mm；双排配置。抗震设计：水平和竖向钢筋的最小配筋率不小于0.25%；直径不应小于8mm，间距不应大于300mm；应双排配置。2） 柱的箍筋柱的箍筋按框架剪力墙结构底部加强区端部配箍的要求配置。3） 墙的钢筋在柱内的锚固现浇剪力墙的水平钢筋应伸入柱内，锚固长度不小于: 一级：； 二级：； 三、四级及非抗震：。 现浇剪力墙与预制框架柱之间的钢筋应相互连接，当墙身水平分布钢筋大于或等于16mm时，应采用焊接，单面焊缝长度10；直径小于16mm时可用搭接。墙内水平和竖向钢筋的锚固端应加直钩，直钩长度10。钩的方向与墙面垂直。框架-剪力墙结构的配筋要求可以参照图9-54至图9-57。图9 框剪结构配筋六、 适用范围为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系，即框架-剪力墙结构。由于框架与剪力墙的协同工作，使框架各层层间剪力趋于均匀，各层梁、柱截面尺寸和配筋也趋于均匀，改变了纯框架结构的受力及变形特点。剪力墙负担主要的水平荷载，框架以负担竖向荷载为主，这样框剪结构能对常见30层以下高层建筑提供足够抗侧刚度，使建筑平面灵活布置。框剪-剪力墙结构比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，可应用于10-20层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。七、 钢框架-支撑体系 钢框架-支撑体系是在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系。在框架-支撑体系中，框架是剪切型结构，底部层间位移大;支撑为弯曲型结构，底部层间位移小，两者并联，可以明显减小建筑物下部的层间位移，因此，在相同的侧移限值标准的情况下，框架-支撑体系可以用于比框架体系更高的房屋支撑体系的布置由建筑要求及结构功能来确定，一般布置在端框架中、电梯井周围等处。支撑类型有： (1)中心支撑：中心支撑是指斜杆与横梁及柱汇交于一点，或两根斜杆与横杆汇交于一点，也可与柱子汇交于一点，但汇交时均无偏心距。根据斜杆的不同布置形式的中心支撑类型见图8-1-1对于地震区建筑，不得采用K形中心支撑。 (2)偏心支撑：偏心支撑是指支撑斜杆的两端，至少有一端与梁相交(不在柱节点处)，另一端可在梁与柱交点处连接，或偏离另一根支撑斜杆一段长度与梁连接，并在支撑斜杆杆端与柱子之间构成一消能梁段，或在两根支撑斜杆之间构成一消能梁段的支撑。图8-1-2为偏心支撑的几种类型偏心支撑与中心支撑相比具有较大的延性，是适用于高烈度地区的一种新型支撑体系。 图8-1-1 中心支撑的类型 (支撑框架) (a) X形支撑; (b)单斜支撑; (c)人字形支撑; (d) K形支撑; (e) V形支撑图8-1-2 偏心支撑类型(偏心支撑框架) (a)门架式1; (b)门架式2; (c)单斜杆式; (d)人字形式; (e)V字形式八、 参考文献1沈浦生，高层结构建筑设计（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，2011 2