装配式结构设计 课件 第十章 钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构设计算例

1.项目概况2.结构选型与结构布置3.结构基本信息4.模型建模5.结构模型分析6.防屈曲钢板剪力墙节点设计7.施工图绘制

第十章钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构设计算例10.1项目概况本章以某高层钢结构住宅楼为例，选址位于北京市大兴区，建筑面积为355.31m²,地

上共12层，层高均为2.9m。当地抗震设防烈度为8度(0.2g),地震分组为第二组，场地

类别为Ⅱ类。图10-1建筑平面图310.2结构选型和结构布置1.结构选型体系选择：钢框架-防屈曲钢板剪力墙核心优势：灵活性强：适配门窗洞口多的装配式住宅成本更低：材料用量优化，经济性突出​抗扭优异：外围剪力墙提升整体抗扭转能力2.结构布置柱距设计​方向​柱距（M）​​示意图参考纵向3.3+6.6（重复布局）图10-2（分跨标注）横向2.6+5.1（对称布置）图10-2（轴线标注）剪力墙定位：沿建筑外围布置，单段长度​1250mm3.结构竖向布置关键参数：层数与层高：地上12层，每层高​2.9m刚度控制：自下而上刚度平缓递减（无突变）质量分布均匀，避免偏心4图10-2结构平面布置示意图图10-3结构竖向布置示意图10.2结构选型和结构布置510.3结构基本信息钢梁与钢柱设计1.钢梁（热轧H型钢）​主梁跨度：6.6m梁高控制：跨度的1/20~1/12→​初选HN400×200×8×13（H=400mm，B=200mm，腹板厚8mm，翼缘厚13mm）2.钢柱（箱形截面）​层号​截面尺寸（H×W×t₁×t₂）​​关键参数4-12层300×300×20×20长细比控制，厚板稳定性1-3层300×300×25×25底部加强，抗侧需求提升防屈曲钢板剪力墙尺寸粗估1）根据《钢板剪力墙技术规程》

(JGJ/T

380—2015)

第3.1.5-2条，与钢板剪力墙相

连周边框架梁柱腹板厚度不应小于钢板剪力墙厚度。该项目剪力墙与框架采用两边连接，框

架梁腹板厚度为8mm,

因此内嵌钢板厚度取为8mm。2)根据《钢板剪力墙技术规程》第6.3.4条，防屈曲钢板剪力墙中单侧混凝土盖板厚

度不宜小于100mm。故该项目单侧混凝土盖板厚度取为100mm。具体截面尺寸见表10-2。

组件​规格​材料等级内嵌钢板厚度​8mmQ235B混凝土盖板单侧厚度​100mmC30混凝土+HRB400筋框架梁、柱钢材截面尺寸见表10-2Q355B表10-1表10-2注：混凝土强度等级为C30,钢筋级别为HRB400;梁、柱钢材采用Q355B,内嵌钢板钢材采用Q235B。610.4模型建模该项目采用PKPM

软件进行结构计算及分析。此处主要介绍防屈曲钢板剪力墙建模过程。预制混凝土盖板建模流程核心步骤​布置混凝土盖板参数设置：墙厚200mm，高度=层高2900mm-梁高400mm=2500mm操作路径：PKPM菜单栏→构件→墙→修改属性图10

-

4预制混凝土盖板建模过程图

1

0

-

5

预

制

属

性

的

定

义710.4模型建模内置钢板的布置单击“构件”菜单中的“钢板墙”按钮，在下拉菜单中选择“内置钢板”命令。由于本设计钢板墙为单片墙，中间无洞口，因此只

需对“左墙柱附加钢板”中的相关信息进行修改。"钢号"修改为"Q355",“钢板厚度”为“8”。“钢板高度比例”一般不需要调整，

按照默认为1进行设计即可，如图10-6和图10-7所示

。图10

-

6内置钢板操作过程图示图10-7

防屈曲钢板剪力墙模型810.4模型建模荷载输入构件布置完成后进行荷载的输人，荷载主要包括楼面、屋面上均布恒荷载、均布活荷载

及梁上的线荷载。楼面和屋面活荷载标准值根

据《工程结构通用规范》(GB

55001-2021)

第4.2.2条取值，该项目板厚为120mm。楼面上均布恒荷载自重为1.86kN/m²,屋面上均布恒荷载为3.22kN/m²,楼梯恒荷载取7.0kN/m²。该项目外墙厚300mm,自重为1.88kN/m²;内墙厚200mm,自重为1.25kN/m²。输入的恒荷载与活荷载见表10-3与表10-4。

表10-3楼面与屋面恒荷载荷载类型​恒荷载标准值（kN/m²）​上人屋面1.86楼面3.22楼梯间7.0内墙（线荷载）1.25外墙（线荷载）1.88女儿墙（线荷载）1.88表10-4活荷载楼面用途​活荷载标准值（kN/m²）​居室、客厅、厨房2.0卫生间2.5阳台2.5楼梯3.5上人屋面2.0梁上所承担的线荷载可分别通过内墙、外墙以及女儿墙的自重乘以层高算得。该项目层

高均为2.9m,

女儿墙高度定为1.2m,

墙厚0.3m,

最终外墙的线荷载为4.89kN/m,

内墙的

线荷载为3.26kN/m,

女儿墙的线荷载为2.25kN/m,

再通过“荷载复制”“层间复制”等命

令直接进行修改即可完成整个模型的荷载布置。910.4模型建模前处理参数汇总风荷载信息基本风压：0.45kN/m²（GB50009-2012）​场地类别：C类粗糙度​阻尼比：0.02地震信息​设防烈度：8度(0.2g)特征周期：0.55s（Ⅲ类场地）振型数量：15抗震等级：三级周期折减系数：0.90设计信息安全等级：三级结构重要性系数：1.0在结构设计过程中，采用强制刚性楼板假定进行整体指标计算，采用非强制刚性楼板假定计算其他结果。结构体系、材料结构类型：钢框架-延性墙板结构材料信息：钢结构a)

b)

图10-8

结构体系和材料信息a)

结构体系；b)

结构材料信息1010.4模型建模墙倾覆力矩计算方法PKPM中提供3种“墙倾覆力矩计算方法”,

分别为“考虑墙的所有内力贡献”“只考虑腹板

和有效翼缘，其余计入框架”和“只考虑面内贡

献，面外贡献计入框架”,如图10-9所示。本设

计采用第二种方法进行计算。墙倾覆力矩计算方法对比方法​适用场景​选择状态考虑墙所有内力贡献旧版软件对比❌只考虑腹板+有效翼缘，其余计入框架框剪/框筒结构✅（本项目）只考虑面内贡献，面外计入框架单向少墙结构❌图10-9

墙倾覆力矩计算方法1110.5结构模型分析1.结构模型基本参数1）材料与结构基本参数材料选择钢材：Q355B（柱、梁、柱脚螺栓）螺栓：10.9级高强螺栓（抗滑移系数μ=0.45）​焊缝：E50焊条（符合GB50661-2011）2）结构基本参数项

目结构特性规范要求备

注结构体系钢框架-延性墙板结构一

《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB50011—2010)

抗震设防烈度8度(0.2g)8度(0.2g)层数

地下2层一地上12层一地上高度34.8m90m《建筑抗震设计规范(2016年版)》表8.1.1高宽比1.326.0《建筑抗震设计规范(2016年版)》表8.1.2抗震等级三级三级《建筑抗震设计规范(2016年版)》表8.1.3表10-5建筑结构基本参数123）结构布置规则性判断10.5结构模型分析

结构布置规则性参数见表10-6,本建筑结构主要考虑平面规则性和竖向规则性，其中平

面规则性包括凹凸不规则、楼板局部不连续和扭转不规则。竖向不连续包括侧向刚度不规

则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变。其判断标准主要参考《高层民用建筑钢结

构技术规程》(JGJ

99—2015)。项目不规则程度规范要求备注（引用标准）平面凹凸不规则无≤30%JGJ99-2015表3.3.2-1，判定规则楼板局部不连续开洞率9.2%≤30%JGJ99-2015表3.3.2-1，满足要求扭转不规则位移比1.02<1.2JGJ99-2015表3.3.2-1，未超限侧向刚度不规则无不小于相邻上一层的70%，或上三楼层平均值的80%JGJ99-2015表3.3.2-2，刚度连续竖向抗侧力构件不连续无抗侧力构件（柱、支撑）宜上下贯通JGJ99-2015表3.3.2-2，全楼贯通楼层承载力突变无本层抗剪承载力不小于相邻上一层的80%JGJ99-2015表3.3.2-2，分布均匀表10-6结构布置规则性参数结论：由以上数据可得，该项目不存在平面不规则、竖向不规则。1310.5结构模型分析4）分析模型结构在竖向荷载、风荷载和多遇地震作用下的

内力和变形均按弹性方法分析，结构分析模型如图10-10所示。图10-10

结构分析模型142.结构指标汇总10.5结构模型分析1.

结构质量楼层质量沿高度均匀分布，且楼层质量不大于

相邻下部楼层的1.5倍，结构全部楼层满足规范要

求，楼层质量及质量比见表10-7,质量比分布曲线

如图10-11所示。层号恒荷载质量(t)活荷载质量(t)质量比比值判断12266.834.90.88满足11305.434.91.00满足10305.434.91.00满足9305.434.91.00满足8305.434.91.00满足7305.434.91.00满足6305.434.91.00满足5305.434.91.00满足4305.434.90.99满足3307.934.91.00满足2307.934.91.00满足1307.934.91.00满足​合计​3633.7​418.0--表10-7楼层质量及质量比图10-11

质量比分布曲线

1510.5结构模型分析2.振型与周期X向平动振型参与质量系数总计95

.

17%>90%,Y向平动振型参与质量系数总计

95.3%>90%,第1扭转周期(1.0903)/第1平动周期(1.6081)=0.678<0.85,满足规范

要求，结构周期及振型质量参与系数见表10-8,前三阶振型示意图如图10-12所示。振型

周期T/s

振型参与质量系数累积Ux(%)累

积

U(%)11.608176.910.0021.534076.9177.4131.090377.8177.4140.510388.5577.4150.485788.5588.8860.416888.5688.8870.363788.6188.8880.316188.6688.8890.280692.6188.88100.264492.6193.03110.252892.7993.03120.194293.2893.03130.185293.3793.03140.178795.1793.03150.173795.1795.33表10-8周期及振型参与质量系数1610.5结构模型分析3.楼层剪力及剪重比该项目位于8度(0

.

2g)设防地区，水平地震影响系数最大值为0.

16,X、Y

方向地震

作用下楼层剪力及剪重比见表10-9,各层剪重比分布如图10-13所示。由表10-9和图10-13

可

以

看

出

，X

、Y

向楼层剪重比均大于3

.

20%,满足规范要求。楼层

楼层剪力/kN剪重比(%)X向Y向X向Y向12413.4435.113.7414.4611786.6826.712.2712.90101075.4112910.9611.5091305.71371.29.8810.3881495.11571.89.009.4671656.61742.68.278.7061806.61900.77.718.1151951.72053.77.287.6642088.42196.96.917.2732212.22325.86.576.9122305.52423.66.226.5412344.42465.15.796.08表10-9楼层剪力及剪重比图10-13

各层剪重比简图174.

楼层最大位移与层间位移角X向最大楼层位移为66.86mm

(12层)

,X向最大层间位移角为

1/369(4层);Y向最大楼层位移

为58.62mm(12

层),Y

向最大层

间位移角为1/434(4层)。

X、Y向

最大层间位移角均小于最大限值

1/250,结构设计合理，满足规范

要求。X

、Y方向地震作用下的楼

层最大位移及层间位移角见表10-

10,各层最大位移及层间位移角分

布如图10-14、图10-15所示。楼层

楼层最大位移/mm层间位移角X向Y向X向Y向1266.8658.621/10371/10971164.4356.241/7811/8461061.2053.191/6221/686957.0949.391/5271/591852.1344.921/4681/531746.4039.831/4281/491639.9834.221/3991/462532.9728.151/3791/443425.4621.731/3691/434317.6815.121/3811/450210.108.691/4361/51013.463.011/8381/962表10-10

地震作用下楼层最大位移及层间位移角图10-14

楼层最大位移简图图10-15

层间位移角简图10.5结构模型分析18结构最大层间位移比为1

.

11<1

.20,满足规范要求。结构位移比计算结果见表10-

11,

各楼层最大位移比分布如图10-

16所示。5.

位移比楼层

位移比X向Y向121.111.09111.111.1101.111.191.11.181.11.1171.11.1161.11.1151.11.1141.11.1131.11.1121.11.1111.11.11表10-11结构位移比图10-16

楼层最大位移比简图

10.5结构模型分析196.楼层侧向刚度比楼层侧向刚度比计算结果见表10-12,各楼层侧向刚度比分布如图10-17所示。由表10-12可知，结构无刚度突变现象，楼层刚度比均满足规范要求。10.5结构模型分析楼层RxRyRx₁Rx₁121.001.001.001.00111.992.071.391.45101.551.581.081.1191.471.501.031.0581.321.371.011.0371.291.331.011.0361.291.321.021.0351.301.331.021.0341.331.351.041.0531.411.431.091.0921.601.591.191.1812.792.741.951.92表10-12楼层侧向刚度比图10-17

楼层侧向刚度比简图207.

楼层受剪承载力比值楼层受剪承载力比值计算结果见表10-

13,各层受剪承载力比分布如图10-

18所示。由

表10-13可知，各层受剪承载力比值均大于0.80,结构无楼层承载力突变的情况，满足规范

要求。楼层楼层受剪承载力/kN受剪承载力比值

X向Y向X向Y向1215108.3714342.26111114308.8514301.10.9511014300.3914288.4711914188.7914388.690.991.01814119.1714431.4611714045.7414372.040.991613914.9514242.630.990.99513745.4114048.420.990.99413920.6314117.951.011316404.5916549.371.181.17214507.0414842.010.880.9113865.2113864.050.960.9310.5