《高层》第6章 框架剪力墙结构设计

高层建筑结构第6章框架-剪力墙结构设计结构体系协同工作原理与设计方法Contents本章目录01框架-剪力墙结构概述与受力特点02基本假定与计算简图03总剪力墙与总框架刚度计算04内力与位移分析05剪力墙分类与布置06连梁设计与刚度折减07截面承载力计算08工程实例与设计总结CHAPTER01框架-剪力墙结构概述与受力特点理解框剪结构的基本概念与协同工作机理STRUCTURALSYSTEM框架-剪力墙结构基本概念框架-剪力墙结构是在框架结构中设置剪力墙，由两者协同工作共同承担荷载的结构体系。它兼具框架空间灵活和剪力墙抗侧刚度大的优点，适用于10-50层高层建筑，是工程实践中最常用的结构形式之一。定义：在框架结构中沿某些方向布置一定数量的剪力墙，框架与剪力墙通过楼板连接形成协同工作体系适用范围：10-50层高层建筑，高度介于纯框架和纯剪力墙结构之间，经济性与安全性平衡空间优势：框架部分提供大空间，满足商业、办公等功能需求；剪力墙部分可布置于楼梯间、电梯井抗侧机理：水平荷载作用下，剪力墙承担大部分水平力，框架承担竖向荷载及小部分水平力抗震性能：多道防线设计理念，剪力墙为第一道防线，框架为第二道防线，整体延性好框架-剪力墙结构建筑模型示意STRUCTURALMECHANICS框剪结构与纯框架受力对比框剪结构中框架的受力特点与纯框架截然不同：纯框架剪力分布为下大上小，控制截面在下部；而框剪结构中框架剪力为下小上大，控制截面变为中部甚至顶部。这一差异决定了框剪结构设计必须重新核算，不能沿用纯框架方法。01纯框架剪力递减水平荷载作用下，框架剪力沿高度方向递减，底层剪力最大，顶层为零。这种分布规律是框架结构的基本受力特征。下大上小02框剪框架剪力反转由于剪力墙承担大部分底部剪力，框架下部剪力接近零，中上部逐渐增大，形成与纯框架完全相反的分布形态。下小上大03控制截面上移纯框架控制截面在下部楼层，框剪结构中框架控制截面变为中部或顶部，设计验算位置发生根本性改变。中部·顶部04增设剪力墙须重算纯框架设计完成后若增加剪力墙，必须按框剪结构重新核算内力与配筋，否则上部楼层将存在严重安全隐患。重新核算05弯曲型构件须识别框架中存在电梯井筒等弯曲型构件时，必须按框剪结构计算，若仍按纯框架设计则偏于不安全。偏于不安全STRUCTURALANALYSIS水平力在框架与剪力墙间的分配水平力分配随楼层标高动态变化，须通过协同工作分析精确计算各楼层水平力分配示意随楼层升高，剪力墙承担比例递减，框架递增01分配比例非固定：沿竖向各楼层，剪力墙与框架承担的水平力比值Vf/Vw随标高连续变化02下部楼层特征：剪力墙刚度大、变形小，承担大部分水平剪力；框架变形受约束，承担剪力较小03上部楼层特征：剪力墙顶部自由变形增大，框架通过楼板约束剪力墙，承担剪力比例上升04分配计算方法：不能按等效刚度简单分配，也不能按抗推刚度分配，必须进行协同工作计算05协同工作机理：楼板作为刚性链杆将框架与剪力墙连接，保证两者在各楼层具有相同的水平位移STRUCTURALANALYSIS框剪结构中的三种梁框剪结构中存在三种连接形式不同的梁：两端连墙连梁、一端连墙一端连柱连梁、两端连柱框架梁。它们因连接构件刚度差异而表现出不同的受力特性，设计时需分别考虑其内力计算方法和构造要求。两端连墙连梁01两端均与剪力墙墙肢连接，墙肢刚度大，对连梁约束作用强02在水平力作用下弯曲变形大，容易出现较大弯矩和剪力03首先开裂屈服进入弹塑性状态，需要进行刚度折减处理刚度折减一端连墙一端连柱连梁01一端与墙肢相连，另一端与框架柱相连，两端约束刚度差异大02水平力作用下会产生较大的弯矩和剪力，易首先开裂03内力计算时可将刚度乘以折减系数予以降低刚度差异普通框架梁01两端均与框架柱相连，受力特点与普通框架梁相同02刚度相对较小，对墙肢约束作用弱03可按普通框架梁方法设计，无需刚度折减无需折减Chapter02基本假定与计算简图建立框剪结构计算的力学模型与简化前提BasicAssumptions框剪结构计算基本假定框剪结构计算基于三个核心假定：楼板平面内刚度无穷大、规则对称结构不计扭转、忽略轴向变形和基础转动。这些假定将复杂空间问题简化为平面协同工作问题，是后续所有内力与位移计算方法的理论基础。楼板平面内刚度无穷大保证各片平面结构具有相同水平位移，楼板作为刚性链杆传递水平力刚性链杆楼板平面外刚度为零楼板对各平面结构不产生弯矩，连系梁可简化为铰接连杆铰接连杆不计扭转影响当结构体型规则、剪力墙布置比较对称均匀时，水平荷载作用下不考虑扭转规则对称忽略轴向变形不考虑剪力墙和框架柱的轴向变形，简化竖向位移协调条件竖向协调忽略基础转动假定基础为刚性，不考虑基础转动对上部结构内力的影响刚性基础STRUCTURALANALYSIS框剪结构计算简图框剪结构计算简图将实际结构简化为总剪力墙、总框架和总连梁三部分的协同工作模型。根据连梁截面尺寸，可选用铰接体系或刚接体系。铰接体系01当连梁截面尺寸较小、刚度较小时采用02连梁对墙肢约束作用弱，可忽略其约束效应03连梁处理成铰接连杆，只传递轴力不传递弯矩铰接连杆刚接体系01当连梁截面尺寸较大、刚度较大时采用02连梁对墙肢有明显约束作用，需考虑弯矩传递03连杆与墙为刚接，与框架为铰接，形成刚性连接弯矩传递计算模型组成01总剪力墙：多片剪力墙等效合成，计算总等效抗弯刚度02总框架：多榀框架等效合成，计算总抗推刚度03总连梁：包括所有与墙肢相连的连系梁刚接端协同工作STRUCTURALDESIGN剪力墙有效翼缘宽度计算剪力墙内力与位移时，纵、横墙可共同工作，需确定剪力墙的有效翼缘宽度。有效翼缘宽度bf按规范规定的多种情况取最小值，直接影响截面惯性矩和抗弯刚度的计算结果。01共同工作原则：计算剪力墙内力与位移时，可考虑纵、横墙的共同工作，将横墙作为纵墙的翼缘02取值原则：有效翼缘宽度bf需按规范表格中列出的多种情况计算，取其中最小值03影响因素：有效翼缘宽度与相邻墙体间距、洞口尺寸、楼层位置等因素有关04计算意义：直接影响剪力墙截面惯性矩、抗弯刚度和承载力的计算结果有效翼缘宽度bf取值规定计算条件bf取值按剪力墙间距S01考虑S01/2按剪力墙间距S02考虑S02/2按翼墙厚度考虑b+12hf按窗洞间距考虑洞口净距/2按总高度考虑H/10有效翼缘宽度bf取以上各条件计算结果的最小值CHAPTER03总剪力墙与总框架刚度计算确定框剪结构协同工作分析的关键参数STRUCTURALANALYSIS总剪力墙刚度计算总剪力墙的等效抗弯刚度EIw等于各片剪力墙等效抗弯刚度之和。计算时需先确定单片剪力墙的等效刚度，再求总和。计算公式EIw=ΣEIeq，n为剪力墙数量，EIeq为单片等效抗弯刚度。该公式是结构整体分析的基础，需确保各片墙体刚度取值准确。ΣEIeq单片墙刚度按第五章方法计算等效抗弯刚度，考虑墙体类型和开洞情况。不同类型墙体采用相应的简化计算模型。等效刚度整截面墙不开洞或开洞面积≤15%，按悬臂梁计算抗弯刚度。洞口影响可忽略，刚度计算相对简单直接。≤15%小开口墙开洞面积＞15%但较小，需考虑连梁约束效应修正。连梁刚度对整体变形有显著影响，不可忽略。连梁修正多肢墙开洞较大，按连续化方法计算连梁作用的等效刚度。采用连杆法建立微分方程求解，精度较高。连续化STRUCTURALANALYSIS总框架刚度计算总框架剪切刚度Cf是使楼层产生单位剪切变形角所需的水平剪力，反映了框架抵抗侧向变形的能力。计算时先求各层Cf值，当各层不同时采用加权平均法求取沿高度的平均刚度。01剪切刚度定义：Cf为使总框架在楼层间产生单位剪切变形角时所需要的水平剪力02计算公式：Cf=h×ΣDj，其中h为层高，Dj为第j根柱的抗推刚度03抗推刚度Dj：由D值法计算，考虑梁柱线刚度比对柱刚度的影响04加权平均法：当各层抗侧移刚度沿高度不完全相同时，按各层承担荷载面积加权求平均05考虑柱轴向变形：当柱轴向变形影响不可忽略时，需按规范公式修正等效剪切刚度各层框架剪切刚度分布示意框架剪切刚度沿高度略有递减，底层刚度最大STRUCTURALANALYSIS刚度特征值与结构行为刚度特征值λ是衡量框架与剪力墙刚度相对关系的无量纲参数，它决定了框剪结构的变形特征和内力分布规律。λ值越大，框架作用越强；λ值越小，剪力墙作用越强。刚度特征值λ反映框架与剪力墙刚度相对关系的无量纲参数，是框剪结构分析的核心参数，直接影响结构的整体受力性能。核心参数λ值范围实际工程中λ通常在1–6之间，λ<1时结构接近纯剪力墙体系，λ>6时则接近纯框架体系。1–6变形特征λ较小时结构以弯曲型变形为主，λ较大时以剪切型变形为主，框剪结构呈现弯剪型复合变形。弯曲/剪切内力分配λ值决定了水平力在框架与剪力墙之间的分配比例，是构件截面设计的重要依据。水平力设计优化通过调整λ值优化结构方案，使框架与剪力墙协同工作，发挥各自优势，实现经济合理的设计。方案优化CHAPTER04内力与位移分析求解框剪结构在水平荷载下的响应STRUCTURALANALYSIS连续化分析方法连续化方法将离散框架-剪力墙体系简化为连续模型，剪力墙视为承受外荷载与框架弹性反力的弹性地基梁。通过建立变形协调微分方程，可求解位移曲线，进而求得各构件的内力。01基本思想—通过刚性链杆将框架和剪力墙连在一起，链杆切断后产生相互作用集中力PftPft02连续化简化—将集中力Pft简化为连续分布力Pf，便于建立微分方程求解Pf03变形协调条件—框架变形与剪力墙变形在每一楼层标高处相等，沿整个高度范围连续Δ=Δ04剪力墙微分方程—EI·y⁽⁴⁾=P(x)−Pf，剪力墙承受外荷载与框架弹性反力EIy⁽⁴⁾05求解过程—先解微分方程求位移曲线y(x)，再利用微分关系求弯矩M、剪力VM·VSTRUCTURALANALYSIS框剪结构位移曲线特征框剪结构位移曲线呈弯剪型，介于纯框架剪切型和纯剪力墙弯曲型之间。刚度特征值λ决定了变形形态：λ越小越接近弯曲型，λ越大越接近剪切型。01弯剪型变形：框剪结构位移曲线兼具弯曲型和剪切型特征，是协同工作的直接体现弯剪型02λ<2.5时：变形以弯曲型为主，位移曲线凸向外侧，类似剪力墙结构λ<2.503λ>2.5时：变形以剪切型为主，位移曲线凸向内侧，类似框架结构λ>2.504λ≈2.5时：变形呈典型弯剪型，是框架与剪力墙协同效果最佳的范围λ≈2.505层间位移控制：最大层间位移角通常出现在结构中部楼层，需满足规范限值要求中部楼层STRUCTURALANALYSIS框架剪力分布与设计要求框剪结构中框架剪力分布为下小上大，与纯框架下大上小完全不同。框架控制截面位于中部或顶部楼层，设计时上部楼层框架必须按计算配筋，不能简单按构造处理，否则存在安全隐患。01剪力分布特征底部楼层框架剪力接近零，大部分水平力由剪力墙承担≈0中部楼层框架剪力逐渐增大，开始承担较多水平力渐增顶部楼层框架剪力达到最大，需承担较大比例的水平力最大值02设计注意事项控制截面框剪结构框架控制截面可能在中部或顶部，而非底部中部/顶部配筋要求上部楼层框架必须按计算配筋，不能仅按构造配筋按计算复核验算增加剪力墙后必须重新核算框架上部楼层承载力重新核算STRUCTURALANALYSIS内力分析要点总结框剪结构内力分析需重点关注：框架剪力下小上大分布、控制截面位置变化、层间位移角限值。设计时应采用可靠计算程序并对关键部位复核验算。计算程序选择采用经过验证的结构分析软件，如PKPM、ETABS、YJK等，确保计算模型合理、参数设置准确。PKPM/ETABS结果合理性判断检查框架剪力分布是否符合下小上大规律，位移曲线呈弯剪型，周期比、剪重比等指标满足要求。弯剪型关键部位复核对框架上部楼层、连梁端部、剪力墙边缘构件等关键部位进行手算复核，确保配筋合理。手算复核层间位移控制确保各层层间位移角满足规范限值，最大位移角位置需重点关注，必要时调整结构刚度分布。位移角限值抗震调整根据抗震等级调整内力，满足强柱弱梁、强剪弱弯要求，实现合理的抗震耗能机制。强柱弱梁CHAPTER05剪力墙分类与布置掌握剪力墙的类型特点与合理布置原则STRUCTURALCLASSIFICATION剪力墙的四种分类剪力墙按开洞情况分为整截面墙、整体小开口墙、双肢及多肢墙、壁式框架四类。分类依据主要是开洞面积比例和连梁与墙肢的刚度比，不同类型采用不同的计算方法。01整截面墙不开洞或开洞面积不大于15%整体悬臂墙，弯矩图既不突变也无反弯点弯曲型变形为主≤15%02整体小开口墙开洞面积大于15%但仍较小弯矩图在连系梁处突变，仅个别楼层出现反弯点弯曲型变形为主>15%03双肢及多肢墙开洞较大、洞口成列布置受力特点与整体小开口墙相似弯曲型变形为主成列布置04壁式框架开洞尺寸大、连梁线刚度大于或接近墙肢线刚度弯矩图在楼层处有突变，大多数楼层出现反弯点剪切型变形为主剪切型STRUCTURALDESIGN剪力墙厚度与布置原则剪力墙厚度需满足规范最小厚度要求，底部加强部位要求更严格。布置时应遵循均匀、对称、周边原则，使结构刚度中心与质量中心接近，减小扭转效应，避免刚度突变。01底部加强部位厚度：一、二级抗震时不小于200mm且不宜小于层高1/16，无端柱翼墙时不小于层高1/1202其他部位厚度：不小于160mm且不宜小于层高1/20，无端柱翼墙时不小于层高1/1603边框梁高度：可取墙厚度的2倍，宜取与墙厚度相同的宽度04布置均匀对称：剪力墙宜均匀布置，使结构刚度中心与质量中心接近，减小扭转05避免刚度突变：剪力墙宜沿竖向连续布置，避免中间楼层取消造成刚度突变剪力墙最小厚度要求位置抗震等级最小厚度厚度比要求底部加强部位一、二级200mm≥h/16底部加强部位三、四级160mm≥h/20其他部位各等级160mm≥h/20底部加强部位厚度要求更严格，需同时满足最小厚度和高厚比要求STRUCTURALDESIGN剪力墙长度与高宽比要求剪力墙长度设计需满足高宽比大于2的延性要求，使墙体呈弯曲破坏而非脆性剪切破坏。过长的墙肢宜用连梁分成若干墙段，每段高宽比均大于2，保证结构整体延性。延性设计要求：为避免脆性剪切破坏，剪力墙应设计成延性墙体高宽比要求：每个墙段高宽比应大于2，使其成为弯曲破坏的延性剪力墙墙肢分割：墙肢过长时宜用跨高比较大的连梁分成若干墙段长度计算：在确定厚度和面积后，墙长L=A/h，通过计算确定不宜主梁支承：不宜将楼面主梁支承在剪力墙之间的连梁上CHAPTER06连梁设计与刚度折减掌握连梁受力特点与设计方法STRUCTURALANALYSIS连梁受力特点与刚度折减连梁在水平力作用下弯曲变形大，首先开裂屈服进入弹塑性状态。为反映实际受力状态，内力计算时需对连梁刚度进行折减，折减系数β不小于0.55，以保证裂缝不过分开展。受力特点连梁两端约束刚度差异大，水平力作用下弯曲变形大，弯矩和剪力大BENDING破坏模式首先开裂、屈服，进入弹塑性工作状态，是结构的第一道防线第一道防线刚度折减原因考虑连梁实际开裂后的刚度降低，使计算结果更符合实际CRACKING折减系数ββ值不能小于0.55，考虑连梁回转能力有限，防止裂缝过分开展β≥0.55设计调整配筋困难时，可在满足刚度和位移限值条件下降低连梁高度减小内力ADJUSTSTRUCTURALDESIGN连梁斜截面抗剪承载力连梁抗剪设计遵循强剪弱弯原则，确保弯曲屈服先于剪切破坏。斜截面抗剪承载力由混凝土和箍筋共同提供，计算时需考虑抗震等级调整系数和跨高比影响。强剪弱弯要求：连梁剪力设计值需乘以增大系数，确保弯曲屈服先于剪切破坏增大系数混凝土贡献：考虑混凝土抗剪承载力，与连梁截面尺寸和混凝土强度有关截面×强度箍筋贡献：箍筋提供的抗剪承载力与箍筋面积、间距和屈服强度有关面积·间距跨高比影响：跨高比小于2.5的连梁需特别考虑剪力滞效应和斜裂缝开展<2.5抗震调整：按抗震等级乘以相应调整系数，一级抗震要求最严格一级最严Chapter07截面承载力计算掌握剪力墙正截面与斜截面承载力计算方法STRUCTURALASSUMPTIONS偏心受压剪力墙正截面承载力偏心受压剪力墙正截面承载力计算基于五个基本假定，考虑了墙体端部纵筋和分布钢筋的共同作用。计算方法与偏心受压柱类似，但需考虑分布钢筋的贡献。01平截面假定截面变形符合平截面假定，应变沿截面高度线性分布。该假定是钢筋混凝土构件正截面承载力计算的理论基础，保证了截面应变协调关系的建立。STRAIN02忽略受拉混凝土不考虑受拉区混凝土的抗拉作用，截面拉力全部由钢筋承担。混凝土开裂后退出工作，这一简化使计算偏于安全且符合实际受力状态。TENSION03等效矩形应力图受压区混凝土应力采用等效矩形应力图替换，应力值取为α₁f꜀，受压区高度取为β₁x。等效原则保证合力大小和作用点位置不变。α₁f꜀04端部纵筋屈服墙肢端部的纵向受拉、受压钢筋均达到屈服强度。端部纵筋承担主要拉力或压力，是剪力墙承载力的关键组成部分。YIELD05分布钢筋参与受压区边缘算起1.5x范围以外的受拉竖向分布钢筋屈服并参与受力。这是剪力墙与柱计算的主要区别，显著提高了墙体延性和承载力。1.5xSTRUCTURALDESIGN轴压比限值与受剪承载力剪力墙轴压比限值按抗震等级分别规定，是保证延性的重要指标。斜截面受剪承载力由混凝土和水平分布钢筋共同提供，需满足强剪弱弯要求。一级抗震0.5轴压比限值最严二级抗震0.6轴压比限值中等三级抗震0.7超限需设约束边缘构件轴压比限值一级抗震：轴压比限值为0.5，要求最严格二级抗震：轴压比限值为0.6三级抗震：轴压比限值为0.7，超过限值需设置约束边缘构件受剪承载力计算混凝土贡献：与截面尺寸、混凝土强度等级和轴压力有关水平分布筋贡献：与水平分布筋面积、间距和屈服强度有关抗震调整：按抗震等级乘以相应调整系数，确保强剪弱弯结构验算平面外轴心受压承载力剪力墙平面外刚度小，需进行轴心受压承载力验算。验算考虑墙体厚度、计算长度和混凝土强度，确保墙体在平面外方向具有足够的稳定承载力。验算必要性剪力墙平面外刚度很小，需单独验算平面外轴心受压承载力刚度验算计算长度根据墙体的支承条件确定计算长度，考虑楼板约束作用支承条件稳定系数按计算长度与墙体厚度的比值查表确定稳定系数查表确定承载力计算N≤0.9φ(fcA+fy'As')，考虑混凝土和纵向钢筋的共同作用0.9φ构造要求墙体厚度需满足最小厚度要求，保证平面外稳定性最小厚度CHAPTER08工程实例与设计总结结合实际案例回顾框剪结构设计要点CASESTUDY工程实例：型钢混凝土框剪结构以某电力调度中心为例，采用型钢混凝土框架-剪力墙结构，通过合理布置剪力墙、精确计算内力分配、优化连梁设计，实现了结构安全性与经济性的良好平衡。工程概况：高层办公楼，采用型钢混凝土框架-剪力墙结构体系，满足大空间