高层建筑结构-第五章框架-剪力墙结构的内力和位移计算

第五章框架剪力墙结构的内力和位移计算,框架剪力墙协同工作原理铰结体系在水平荷载下的计算刚结体系在水平荷载下的计算内力计算,第五章框架剪力墙结构的内力和位移计算,第五章框架剪力墙结构的内力和位移计算,5.1框架剪力墙协同工作原理,一、框架剪力墙结构的变形与受力特征,框架剪切形,剪力墙弯曲形,框架-剪力墙弯曲-剪切形,5.1框架剪力墙协同工作原理,一、框架剪力墙结构的变形与受力特征对比：框架剪切型层剪力按照D值分配剪力墙弯曲型层剪力按照EI值分配框剪弯剪型层剪力按照？分配,在下部：剪力墙帮框架受剪框架底部剪力减少在上部：框架帮剪力墙受剪框架顶部剪力加大框架剪力墙结构中的框架，其所受剪力以及层间变形趋于均匀化,5.1框架剪力墙协同工作原理,二、计算基本思想（合分再分）本章介绍手算的位移协同工作计算方法（连续分析法，可查表）（1）首先将所有剪力墙合并为总剪力墙，所有框架合并为总框架（2）把总剪力墙与总框架之间的联系连续化，根据力平衡条件、变形协调条件和力与变形物理关系建立微分方程（协调工作）解决荷载在总剪力墙与总框架之间的分配，得到各自的总内力和共同的变形曲线（3）总剪力墙的总内力按各片墙的等效抗弯刚度EI分配到各片墙，总框架的总内力按各柱的抗侧刚度D值分配至各柱,5.1框架剪力墙协同工作原理,三、基本假定（1）平面结构假定纵横两主轴方向分别计算（2）刚性楼板假定无扭转时，同一楼面上各点水平位移相同（3）所有结构参数沿建筑高度不变（如有不大的变化，则可取沿高度的加权平均值）,5.1框架剪力墙协同工作原理,四、两种计算简图根据总剪力墙与总框架之间的联系性质，框架剪力墙结构的计算简图可分为两类铰结体系与刚结体系（1）通过楼板联系简化为铰结连梁，形成铰结体系,总剪力墙,总框架,5.1框架剪力墙协同工作原理,(2)通过楼板和连梁联系简化为刚结连梁，形成刚结体系主要考虑连梁对剪力墙的刚结端，当梁很弱时也可忽略其约束作用而处理成铰结端；框架与总连梁间为铰结，表示楼板的连接作用，至于梁对框架柱的约束作用将反映在D值中,总剪力墙,总框架,5.2铰结体系协同工作计算,1、总剪力墙及总框架的刚度计算总剪力墙抗弯刚度，为每片墙的等效抗弯刚度总框架抗推刚度，表示产生单位层间角位移所需的推力，如下图所示,框架抗剪刚度,框架的D值,5.2铰结体系协同工作计算,2、微分方程的建立力（荷载）平衡条件：变形协调条件,5.2铰结体系协同工作计算,力与变形关系剪力墙框架,5.2铰结体系协同工作计算,上式联立，经整理可得,引入,（称为刚度特征值）,则得,5.2铰结体系协同工作计算,由上式可解出结构的侧移y，并由此求出：,5.2铰结体系协同工作计算,3、计算图表的应用（1）根据荷载形式（有三种）、刚度特征值和高度坐标查图表得系数,（2）根据荷载形式按悬臂杆计算顶点侧移fH，底截面弯矩M0和底截面剪力V0（3）计算结构顶点侧移y、总剪力墙弯矩Mw和剪力VW以及总框架剪力VF,5.3刚结体系协同工作计算,刚结体系与铰结体系的主要区别在于：总剪力墙与总框架之间的连梁对墙肢有约束弯矩。即连梁切开后，除轴力外，还有剪力，将剪力向墙肢截面形心取矩，并沿高度连续化，便形成分布的约束弯矩m（x），如图。即连梁对墙肢具有约束作用,5.4构件内力计算（内力的“再分配”）,问题：求出总剪力墙、总框架、总连梁的内力后，如何计算各墙肢、框架梁、框架柱及连梁的内力1、剪力墙的内力按各片墙的等效抗弯刚度分配总剪力墙的总内力，即,5.4构件内力计算（内力的“再分配”）,2、框架梁柱的内力按照各柱的抗侧刚度D值分配总框架的总剪力VF，并取各楼层上、下两层楼板标高处的VF的平均值作为该层柱中点（反弯点）的剪力，据此剪力按平衡条件再求梁柱的其他内力，各层柱中点的剪力为,为了保证框架的安全，高规规定：VF应不小于0.2V0；对VF0.2V0楼层，设计时取1.5和0.2V0的较小值，其中V0为地震作用产生的结构底部总剪力，为各层框架部分承担的总剪力中的最大值,5.5讨论,1、刚度特征值对框剪结构受力和位移特征的影响刚度特征值，反映了框架抗推刚度（包括连梁约束刚度）与剪力墙抗弯刚度的比值影响。当0时即为纯剪力墙结构，当时即为纯框架结构(1)位移曲线6时，变形曲线呈剪切形16时，变形曲线呈弯剪型（或反S型）,(2)剪力分配,沿高度不成一定比例在底部：剪力墙的剪力最大，框架的剪力为0(近似计算造成)在上部：剪力墙出现负剪力，而框架承担的剪力比外荷载产生的剪力还要大；框架的剪力最大值在结构的中偏下位置(0.30.6)，此部分是对框架起控制作用的楼层。在顶部：剪力墙与框架的剪力都不等于0,5.5讨论,(3)水平荷载分配对剪力和微分后可得荷载和。在底部：剪力墙所受的荷载比外荷载大，而框架承受反向荷载；在顶部：剪力墙与框架有大小相等、方向相反的集中力，这是由于它们的顶部剪力不等于0的缘故,5.5讨论,2、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,5.5讨论,（3）框架结构中剪力墙的数量剪力墙数量多，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）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,框架-剪力墙结构中剪力墙的布置宜符合下列要求：,1.剪力墙宜均匀地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、平面形状变化恒载较大的部位；在伸缩缝、沉降缩、防震缝两侧不宜同时设置剪力墙。2.平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；3.剪力墙布置时，如因建筑使用需要，纵向或横向一个方向无法设置剪力墙时，该方向采用壁式框架或支撑等抗侧力构件，但是，两方向在水平力作用下的位移值应接近。壁式框架的抗震等级应按剪力墙的抗震等级考虑。4.剪力墙的布置宜分布均匀，各道墙的刚度宜接近，长度较长的剪力墙宜设置洞口和连梁形成双肢墙或多肢墙，单肢墙或多肢墙的墙肢长度不宜大于8m。单片剪力墙底部承担水平力产生的剪力不宜超过结构底部总剪力的40%。,5.纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内。房屋纵向长度较长时，不宜集中在两端布置纵向剪力墙，否则在平面中适当部位应设置施工后浇缝以减少混凝土硬化过程中的收缩应力影响，同时应加强屋面保温以减少温度变化产生的影响。6.楼电梯间、竖井等造