高层建筑结构设计6框架剪力墙课件

第六章框架-剪力墙结构设计6.1概述6.2框架剪力墙结构的内力计算6.3框架-剪力墙结构协同工作性能6.4框架-剪力墙结构构件的截面设计及构造要求2/7/202316.1概述6.1.1框架-剪力墙结构的特点*.什么是框架剪力墙？由框架和剪力墙组成的结构体系。*.框架剪力墙结构的优点是什么？1.可构成自由灵活的大空间。2.较强的抗震抗风能力。2/7/20232*.框架剪力墙的适用范围是什么？适用于需要灵活大空间的多层和高层建筑，如办公楼、商业大厦、饭店、旅馆、教学楼、试验楼、电讯大楼、图书馆、多层工业厂房及仓库、车库等建筑。2/7/20233框架剪力墙变形受力特点①(a)纯剪力墙结构：刚性结构，变形为弯曲变形为主，内力按等效刚度比例分配。(b)纯框架：柔性结构，变形以剪切变形为主，楼层剪力按柱的抗侧刚度D比例分配。(c)框架—剪力墙结构：中等刚度，框架和剪力墙是通过平面内刚度无限大的楼板连接在一起，使它们的水平位移协调一致，不能各自变形，变形为反S形或弯剪型。2/7/202342/7/20235框架剪力墙变形受力特点②层间位移最大值发生在（0.4～0.8）H范围内。③在水平力作用下，框架上下各层剪力取用值比较接近。④具有多道抗震防线，是一种抗震性能良好的结构体系。2/7/202366.1.2框架-剪力墙结构中的梁普通梁，即两端均与框架柱相连的梁（按框架梁设计）。剪力墙之间的连梁（按连梁设计）。一端与墙肢相连，另一端与框架柱相连的梁（按连梁设计）。2/7/202376.1.3适用高度及高宽比由框架和剪力墙组成的一般框剪结构；外周边为柱距较大的框架和中部为封闭式剪力墙筒体组成的框架-筒体结构。高宽比和高度限值应满足规范要求。2/7/20238表6-3A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架-剪力墙14013012010050剪力墙全部落地剪力墙15014012010060部分框架剪力应采用筒体框架-核心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱-剪力墙70403530不应采用2/7/20239

表6-4B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度框架-剪力墙结构170160140120剪力墙全部落地剪力墙180170150130部分框支剪力墙150140120100筒体框架-核心筒220210180140筒中筒3002802301702/7/202310表6-1A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度、7度8度9度框架、板柱-剪力墙5432框架-剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架-核心筒66542/7/202311表6-2B级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比非抗震设计抗震设计6度、7度8度8762/7/2023126.1.4剪力墙的合理数量

剪力墙数量多，对抗震有利，但太多，刚度大，周期太短，地震力大，不仅使上部结构材料增加，且给基础设计带来困难，不经济。框架设计水平剪力有最低限值（0.2V0），剪力墙再增多，框架的材料消耗也不会再减少。有一个剪力墙的合理数量问题。2/7/202313

表6-5每一方向剪力墙的刚度之和∑应满足的数值（KN·M）注：H—结构地面以上的高度（m）;W—结构地面以上的总重量。场地类型设防烈度ⅠⅡⅢ755WH83WH193WH8110WH165WH385WH9220WH330WH770WH剪力墙的合理数量2/7/2023146.1.5剪力墙的布置1．框架一剪力墙结构应设计成双向抗侧体系。抗震设计时，结构两主轴方向均应布置剪力墙。2．框架一剪力墙结构可采用下列形式：（1）框架与剪力墙（单片墙、联肢墙或较小井筒）分开布置；（2）在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙（带边框剪力墙）；（3）在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙；（4）上述形式的混合。2/7/2023153．框架—剪力墙结构中，梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合；框架梁、柱中点之间有偏离时，应符合：1）；2）计算中应考虑其对节点核心和柱的不利影响。2/7/2023164．框架一剪力墙结构中剪力墙的布置原则为“均匀、分散、对称、周边”。宜符合下列要求：①剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；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纵横剪力墙宜组成L形、T形和［型等型式；④单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40%；2/7/202317⑤剪力墙宜贯通建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上下对齐；⑥楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；⑦抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。2/7/2023185．长矩形平面或平面有一部分较长的建筑中，其剪力墙布置应符合：①横向剪力墙沿长方向的间距宜满足表6-6要求。②纵向剪力墙不宜集中布置在房屋两尽端，以避免房屋的两端被抗侧刚度较大的剪力墙锁住而造成中间部分的楼盖在混凝土收缩或温度变化时出现裂缝。2/7/202319表6-6剪力墙间距（m）

注：1、表中B为楼面宽度，单位为m；2、装配整体式楼盖应设置厚度不小于50mm的现浇层；3、现浇层厚度大于60㎜的叠合板可作为现浇板考虑。楼盖形式非抗震设计（取较小值）抗震设防烈度6度、7度（取较小值）8度（取较小值）9度（取较小值）现浇5.0B，604.0B，503.0B，402.0B，30装配整体3.5B，503.0B，402.5B，30--剪力墙间距2/7/202320第六章框架-剪力墙结构设计6.1概述6.2框架剪力墙结构的内力计算6.3框架-剪力墙结构协同工作性能6.4框架-剪力墙结构构件的截面设计及构造要求2/7/2023216.2.1基本假定及总剪力墙和总框架刚度计算一、基本假定：①楼板在自身平面内刚度无穷大。②结构比较对称，不计扭转。③不考虑剪力墙与框架柱的轴向变形与基础转动。2/7/202322框架一剪力墙体系的形式①铰接体系（楼面外刚度为零，它对各剪力墙和框架不产生约束弯矩，可以把楼板简化为铰接连杆）（由铰接连杆、总框架、总剪力墙组成）②刚接体系（连梁及楼板对剪力墙有约束作用，视为刚接，该梁对柱也有约束作用，此约束作用反映在柱的抗侧刚度中）（由刚性连杆、总框架、总剪力墙组成）把所有剪力墙综合成总剪力墙，将所有框架综合成总框架。楼板的作用是保证各片平面结构具有相同的水平侧移。2/7/202323楼板简化为铰接连杆，连梁截面较小铰接体系2/7/202324连梁对柱的约束作用反映在D中。刚接体系2/7/202325（1）总剪力墙刚度（1）总剪力墙刚度N-总剪力墙数量。EIeq-单片剪力墙的等效抗弯刚度。2/7/202326（2）总框架刚度计算柱抗侧移刚度D：--柱上下两端产生单位相对侧移时所需剪力对总框架来说，D值为同一层所有抗侧移刚度之和。柱剪切刚度：--使柱在楼层产生单位剪切变形所需剪力总框架剪切刚度2/7/202327*.如何求总框架抗剪刚度与剪力墙等效刚度的平均值？当变化不大时，沿高度取加权平均值：--总框架各层抗剪刚度--总剪力墙各层抗弯刚度--各层层高--建筑物总高度m-层数2/7/2023286.2.2按铰接体系框剪结构的内力计算外力在框架和剪力墙之间的分配由协同工作计算确定。协同工作计算采用连续杆法。将连杆切断后在各楼层标高处框架和剪力墙之间存在相互作用的集中力Pfi。为简化计算，集中力Pfi简化为连续分布力pf(x)。框架和剪力墙之间的相互作用相当于一个弹性地基梁之间的相互作用。总剪力墙相当于置于弹性地基上的梁。总框架相当于一个弹性地基，承载总剪力墙传给它们的力。2/7/202329*.连续连杆法的计算简图是什么？2/7/202330弹性地基梁—剪力墙弹性地基—框架—反力荷载—水平力—p(x)弹性地基梁2/7/202331取总剪力墙为脱离体，此剪力墙是一个竖向受弯构件，为静定结构。把总剪力墙当作悬臂梁，其内力与弯曲变形的关系如下：建立微分方程2/7/202332取总框架为脱离体可以给出pf(x)与侧移y(x)之间的关系。总框架的剪切变形为θ=dy/dx时，总框架的层间剪力为：微分得：2/7/202333代入整理得：2/7/202334引入符号λ为结构刚度特征值，是反映总框架和剪力墙刚度之比的一个参数，对框剪结构的受力状态和变形状态及外力的分配都有很大的影响。则

四阶常系数非齐次微分方程2/7/202335微分方程的解通解为：特解取决于外荷载形式：对于均布荷载：特解

2/7/202336边界条件结构底部位移为0。结构底部转角为0。结构顶部弯矩为0。结构顶部总剪力已知。积分常数由边界条件来定。2/7/202337*.确定积分常数

当框架侧移计算出来后，可确定剪力墙任意截面处的转角、弯矩和剪力。：2/7/202338对解求导2/7/202339边界条件：底部底部转角顶部

2/7/202340解得：2/7/202341求得的位移及内力（均布荷载）位移：总墙弯矩：2/7/202342总墙剪力：总框架剪力：求得的位移及内力（均布荷载）2/7/202343*.如何采用查图法求总剪力墙的位移与内力？fH是剪力墙单独承受水平荷载时在顶点产生的侧移。M0、V0为水平荷载在剪力墙底部产生的总弯矩和总剪力。1.首先根据结构刚度特征值及所求截面从表中查出各系数。2.根据左边的式子求得该截面处的位移及内力。2/7/2023442/7/2023452/7/2023462/7/202347*.如何求解总框架的总剪力？总框架的剪力可直接由总剪力减去剪力墙的剪力得到均布荷载倒三角分布荷载顶部集中荷载2/7/202348什么是刚接体系？当连梁与剪力墙连接，考虑其对剪力墙的弯曲有一定约束作用的框-剪结构。6.2.3按刚接体系框剪结构的内力计算2/7/202349*.刚结体系与铰结体的异同点是什么？相同点：计算方法相同。总剪力墙与总框架通过连梁传递相互作用力。不同点：“铰结”——只考虑连杆的轴力；“刚结”——除考虑连杆的轴力外，还考虑剪力引起的弯矩对剪力墙的约束作用。2/7/202350计算简图的形成在刚接体系中，将连杆切开后，连杆中除了轴向力外，还有剪力和弯矩。将剪力和弯矩对总剪力墙墙肢截面形心取矩，就得到对墙肢的约束弯矩。连杆轴向力和约束弯矩都是集中力，作用在楼层处，计算时需将其在层高内连续化。2/7/202351在框架-剪力墙结构刚接体系中，形成刚接连杆的连梁有两种，一种是连接墙肢与框架的连梁，另一种是连接墙肢与墙肢的连梁。这两种连梁都可以简化为带刚域的梁。2/7/202352*。连梁的约束弯矩约束弯矩系数——梁端发生单位转角（）时的梁端约束弯矩。a)两端刚接：b)一端刚结（b=0）2/7/202353*。梁端约束弯矩梁端集中约束弯矩：θ为梁端转角沿层高h的分布弯矩为第j层总约束弯矩

n为同层连梁刚接点个数为第j层连梁的总约束刚度若各层层高及杆件截面不均匀，这时应取各层约束刚度的加权平均值。2/7/202354*。连梁约束在总剪力墙高度x处产生的弯矩，及其对应的剪力和荷载产生此弯矩所对应的剪力和荷载分别为：等代荷载：2/7/202355（4）总剪力墙微分方程—弹性地基梁得：2/7/202356设代入上式形式与铰接框一剪相同,解及图表可沿用铰接框剪体系结果，但λ不同。无法直接得到剪力墙的总剪力。直接得到的是剪力墙广义剪力（含有连梁的剪力作用）记为2/7/2023573。刚接框一剪结构的内力计算（1）计算刚度特征值（2）由λ及，查图曲线，得墙的剪力系数，算出剪力墙的广义剪力（3）将荷载产生的总剪力减去墙的广义剪力，得框架的广义剪力。即2/7/202358（4）将按框架抗剪刚度和连梁刚度比例分配，求出框架的总剪力和梁端总约束弯矩m。（5）剪力墙总剪力2/7/202359当框架侧移计算出来后，可确定剪力墙任意截面处的转角、弯矩和剪力：2/7/2023606.2.4内力分配计算（1）剪力墙内力分配（2）框架梁柱内力分配i-第几层。j-第几个柱子或剪力墙。Vpi、Vp(i-1)-第i层柱柱顶与柱底楼板标高处框架的总剪力。2/7/202361（3）刚接连梁内力计算轴线处：2/7/202362将弯矩换算到墙边界处：连梁剪力设计值可以用连梁在墙边处的弯矩表示：也可以用在剪力墙轴线处的弯矩来表示：由连梁剪力可计算出剪力墙轴力。2/7/202363第六章框架-剪力墙结构设计6.1概述6.2框架剪力墙结构的内力计算6.3框架-剪力墙结构协同工作性能6.4框架-剪力墙结构构件的截面设计及构造要求2/7/2023646.3框架-剪力墙结构协同工作性能6.3.1结构的侧向位移曲线（1）侧移曲线，随λ的变化而变化框架---剪切型（框架结构层间位移与层总剪力成正比，越向下，层总剪力越大，故其层间位移越大）（λ无穷大）剪力墙---弯曲型（剪力墙的侧移形状与悬壁梁位移曲线相同）（λ为0）2/7/202365刚度特征值λ刚接体系铰接体系为连梁的总约束刚度2/7/202366刚度特征值λ综合框架抗侧刚度（使总框架在楼层间产生单位侧移时所需要的水平剪力）D=V/Δ综合框架抗推刚度（使总框架在楼层间产生单位剪切变形时所需要的水平剪力）Cf=hD=h*V/Δ=V/γ综合剪力墙抗弯刚度EIw=EIeq(EIeq为单片剪力墙等效抗弯刚度)2/7/202367框剪结构的侧移曲线框架-剪力墙---弯剪型（由于刚性楼板的连接作用，框架和剪力墙的位移必须协调一致）(0＜λ＜无穷大)框架剪力墙框架-剪力墙2/7/2023686.3.2结构内力分布特征剪力墙pw框架pfP（1）外荷载P由总剪力墙和总框架共同承担（2）协同工作靠楼盖来实现。（3）这样，剪力墙所负担的荷载pw大于总水平荷载p，而框架所承担的荷载pf的作用与外荷载p的作用方向相反。2/7/202369在结构顶部，框架在单独受力时侧移曲线的转角较小，而剪力墙在单独受力时侧移曲线的转角较大，所以框架拉住剪力墙。在结构底部，因剪力墙侧移曲线的转角为零，剪力墙提供极大的刚度，它拉住框架的变形，使综合框架所承受的剪力不断减少为0(纯框架最大剪力在底部)。框架-剪力墙中框架的剪力2/7/202370VpVwVf剪力分布特征剪力墙剪力墙框架2/7/202371上部楼层，即使水平力产生的楼层剪力很小，而框架中仍有相当数值的剪力。框剪结构中，剪力控制截面在房屋高度的中部甚至是上部。框剪结构在水平力作用下，框架上下各楼层的剪力取用值比较接近，梁、柱的弯矩变化较小，使得梁、柱构件规格较少，有利于施工。框架-剪力墙中框架的剪力2/7/202372第六章框架-剪力墙结构设计6.1概述6.2框架剪力墙结构的内力计算6.3框架-剪力墙结构协同工作性能6.4框架-剪力墙结构构件的截面设计及构造要求2/7/2023736.4.1框架部分设计的调整结构中产生的地震倾覆力矩由框架和剪力墙共同承受。框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩50%时，框架部分在结构中处于主要地位，为了加强其抗震能力的储备，其框架部分的抗震等级应按框架结构采用。柱轴压比的限值宜按框架结构的规定采用，其最大适用高度和高宽比的限值可比框架结构适当增加。2/7/20237433、修改了框架-剪力墙结构中框架承担倾覆力矩较多和较少时的规定。见8.1.3条。第8.1.3条：抗震设计的框架-剪力墙结构，应根据在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，确定相应的设计方法，并应符合下列要求：1框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的10%时，按剪力墙结构设计，框架部分应按框架-剪力墙结构的框架进行设计；2当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%时，按本章框架-剪力墙结构的规定进行设计；2/7/2023753当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%但不大于80%时，按框架-剪力墙结构设计，其最大适用高度可比框架结构适当增加，框架部分的抗震等级和轴压比限值宜按框架结构的规定采用；4当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的80%时，按框架-剪力墙结构设计，但其最大适用高度宜按框架结构采用，框架部分的抗震等级和轴压比限值应按框架结构的规定采用。2/7/2023762/7/202377抗震设计时，框架—剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力应符合：①不满足的楼层，其框架总剪力应按0.2和1.5二者的较小值采用；的楼层，其框架总剪力不必调整。其中：

--结构底部剪力或每段最下一层的总剪力。--未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值；或每段中的各层框架承担的地震总剪力中的最大