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    2. 剪力墻結構分析

       一、框架-剪力墻結構的特征

      1、概念:框架-剪力墻結構,簡稱框剪結構,它是由框架和剪力墻組成的

      結構體系。

      2、適用范圍:適用于需要靈活大空間的多層和高層建筑。

      3、水平荷載作用下的變形特征:

      4、水平荷載作用下的受力特征:

       

      5、是一抗震性能較好的結構體系—協同工作:

      在協同工作時,剪力墻單元的剛度比框架大得多,往往由剪力墻擔負大部分外荷載,其次,兩者分擔荷載的比例上、下是變化的,由他們的變形特點可知,剪力墻下部變形將增大,框架下部變形卻減小了,這使得下部剪力墻擔負更多剪力,而框架擔負的剪力較小。上部則相反,剪力墻變形減小,因而卸載,框架上部變形加大,擔負的剪力將增大,因此框架上部下部所受剪力趨于均勻化。

      6、是一種延性較好的結構體系—延性好的框架:

      抗側力剛度較大并帶有邊框的剪力墻和有良好耗能性能的連梁所組成,具有多道抗震設防。

      二、框架-剪力墻結構中的梁

      1)普通框架梁C

      2)剪力墻之間的連梁A

      3)一端與墻肢相連,另一端與框架柱相連B

      1、類型:

      2、設計方法

      1)普通框架梁C-按框架梁設計

      2)剪力墻之間的連梁A-雙肢或多肢剪力墻的連梁設計

      3)一端與墻肢相連,另一端與框架柱相連B-特殊考慮

       

      三、框架-剪力墻適用高度及高寬比

      高寬比限值:P12表2.3、2.4

      適用高度:P11 表2.1、2.2

      注意:高寬比及高度限制的目的

      四、剪力墻的布置

      1、剪力墻的數量

      通過多次地震中實際震害的情況表明:在鋼筋混凝土結構中,剪力墻數量越多,地震震害減輕得越多。框架結構在強震中大量破壞、倒塌,而剪力墻結構震害輕微。

      因此,一般來說,多設剪力墻對抗震是有利的。但是,剪力墻超過了必要的限度,是不經濟的。剪力墻太多,雖然有較強的抗震能力,但由于剛度太大,周期太短,地震作用要加大,不僅使上部結構材料增加,而且帶來基礎設計的困難。另外,框剪結構中,框架的設計水平剪力有最低限值,剪力墻再增多,框架的材料消耗也不會再減少。所以,單從抗展的角度來說,剪力墻數量以多為好;從經濟性來說,剪力墻則不宜討多,因此,有一個剪力墻的合理數量問題。在結構設計中剪力墻的合理數量可參考表 1 決定.

      2、剪力墻的布置

      (1)、框架-剪力墻結構應設計成雙向抗側力體系。抗震設計時,結構

      兩主軸方向均應布置剪力墻。

      (2)、框架-剪力墻結構中,主體結構構件之間除個別節點外不應采用鉸接.

      (3)、梁與柱或柱與剪力墻的中線宜重合.

      (4)、框架-剪力墻結構中剪力墻的布置宜符合下列要求:

      1 )剪力墻宜均勻布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位,

      剪力墻間距不宜過大;

      2 )平面形狀凹凸較大時,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻;

      3 )縱、橫剪力墻宜組成L形、T形和[形等型式;

      4 )單片剪力墻底部承擔的水平剪力不宜超過結構底部總水平剪力的40 %;

      5 )剪力墻宜貫通建筑物的全高,宜避免剛度突變;剪力墻開洞時,洞口宜上下對齊;

      6 )樓、電梯間等豎井宜盡量與靠近的抗側力結構結合布置;

      7 )抗震設計時,剪力墻的布置宜使結構各主軸方向的側向剛度接近。

      (5)、長矩形平面或平面有一部分較長的建筑中,其剪力墻的布置尚宜符合

      下列要求:

      1)橫向剪力墻沿長方向的間距宜滿足P114表6.3的要求,當這些剪力墻之間的樓蓋有較大開洞時,剪力墻的間距應適當減小;

      2)縱向剪力墻不宜集中布置在房屋的兩盡端

      (6)、框粱-剪力墻結構可采用下列形式:

      1)框架與剪力墻(單片墻、聯肢墻或較小井筒)分開布置;

      2)在框架結構的若干跨內嵌入剪力墻(帶邊框剪力墻);

      3)在單片抗側力結構內連續分別布置框架和剪力墻;

      4)上述兩種或三種形式的混合。

      6.2框架-剪力墻結構的內力計算

      一、框架-剪力墻結構的簡化計算模型

      1、基本假定

      1)樓板在自身平面內剛度無限大。

      2)水平荷載的合力通過結構的抗側剛度中心。

      3)框架與剪力墻的剛度特征值沿結構高度為常量。

      在上述假定的基礎上:

      1)框架與剪力墻承擔的剪力與其抗側剛度成正比,而與平面位置無關。

      2)可將框架等效為綜合框架、剪力墻等效為綜合剪力墻,放于同一平

      面內分析。

      3)綜合框架、綜合剪力墻之間用軸向剛度無限大的綜合連桿連接。

      框架和剪力墻是通過樓板的作用連接在一起

      橫向:被連接的總剪力墻包含4片墻,總框架包含5榀框架;總連桿中包含2根連梁,每梁有兩端與墻相連,即2根連梁的4個剛結端對墻肢有約束彎矩作用

      縱向:總剪力墻包含4片墻,總框架包含2片

      框架和6根柱子(也起框架作用),總連桿中包含8根一端剛接、一端鉸接的連梁,即8個剛接端對墻肢有約束彎矩作用

      總結:計算簡圖取法——平移協同工作計算方法

      把所有剪力墻合并為總剪力墻,所有框架合并為總框架,協同工作計算主要解決荷載在總剪力墻和總框架之間地分配,得到總剪力

      墻和總框架的內力,并計算側向位移。每片剪力墻的內力,按各片墻等效抗彎剛度進行再分配,各個柱子的水平剪力也將按每個柱

      子的D值進行再分配。

      2、總剪力墻剛度的計算

      3、框架的剪切剛度計算:

      框架對剪力墻的彈性反力與框架的剪切剛度(側移剛度)有關。

      用D值法:由前面所學,D值的物理意義是桿端有單位相對水平位移時所需的剪力。

      框架抗推剛度:

       

      當為任意變形時(轉角)框架所受的剪力:

      就是框架所受的力,也就是框架給剪力墻的彈性反力。

      二、框架-剪力墻鉸接體系的基本方程及內力計算

      1、基本假定

      1)框架與剪力墻之間沒有彎矩傳遞,僅傳遞軸力

      2)綜合連桿沿高度方向連續,其作用以等代分布力Pf代替

      2、計算簡圖

      P117 公式6.12

      令:

       

      (6.12)

      解:

      倒三角形水平荷載

       

      均布水平荷載

       

      頂部集中荷載F

      用彎矩系數、剪力系數、位移系數來表示:

      三、框架-剪力墻剛接體系的基本方程及內力計算

       

      1、基本假定

      1)綜合連梁既包括框架與剪力墻之間的聯系梁,也包括墻肢之間的聯系梁

      2)綜合連梁連續化后,除有軸向分布力Pf外,還有分布剪力引起的約束彎矩

      3)為簡化計算,將約束彎矩全部作用在綜合剪力墻上,沿豎向分布的力矩m(x)

      2、計算簡圖

      3、連梁約束彎矩的計算

      連梁的種類

      連桿對剪力墻墻肢的
      約束彎矩m(x)的計算:

      P125 公式6.31

      (6.31)

       

      5、剛接體系內力計算步驟:

      (1)由體系的λ及ξ查表求得y、MW、V’W

      (2)計算框架廣義剪力

       

      (3)計算總框架的總剪力和連梁的總約束彎矩

       

      (4)總剪力墻的剪力

      第三節框架——剪力墻結構協同工作性能

      1、:反映綜合框架與綜合剪力墻剛度之比的參數,稱為框架-剪力墻結構剛度特征值。是影響框架-剪力墻結構的受力、變形

      性能的主要參數。

      系數稱為框架結構的剛度特征值,即純剪結構,

            即相當于純框架結構。

      2、位移曲線:

      很小時,剪力墻變形呈彎曲型,墻起主要作用;很大時,框架的作用愈來愈大,結構位移曲線逐漸變成剪切型,

      時,位移曲線介于兩者之間,下部略帶彎曲型,而上部略帶剪切型,呈反S型,稱為彎剪型變形,此時上下層間

      變形較為均勻。

       

      框剪結構變形曲線

      3、荷載與剪力分布特征:

      剪力墻下部剪力PW大于外荷載P,上部荷載逐漸減小,頂部有反向的集中力。框架下部作用著負荷載,上部變為正荷載,頂部有集中力。由變形協調產生的相互作用的頂部集中力是剪力墻及框架頂部剪力不為零的原因。

      4、框——剪結構剪力分配:

      純框架結構中,每片框架的剪力都是下大上小,頂部為零。而在框架——剪力墻結構中,框架所受的剪力卻是底部為零,下小上大。

      純框架結構的控制部位在下部樓層。而框剪結構中的框架,控制部位在結構中部( x=0.3~0.6間)甚至是頂層,兩者的內力分布規律完全相反。因此,純框架結構設計完畢后,如果又增加了一些剪力墻,就必須按框—剪結構進行內力計算,否則不能保證框架部分的上部樓層的安全。

      6.4框架-剪力墻結構構件的截面設計及構造要求

      1、框架-剪力墻結構、板柱-剪力墻結構中,剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率,抗震設計時均不應小于0.25%,非抗震設計時均不應小于0.20%,并應至少雙排布置。各排分布鋼筋之間應設置拉筋,拉筋直徑不應小于6mm,間距不應大于600mm。

      2、帶邊框剪力墻的構造應符合下列要求:

      1)帶邊框剪力墻的截面厚度應符合下列規定:

       (1)抗震設計時,一、二級剪力墻的底部加強部位均不應小于200mm,且不應小于層高的1/16;
      (2)除第1項以外的其他情況下不應小于160mm,且不應小于層高的1/20;

      2)剪力墻的水平鋼筋應全部錨入邊框柱內,錨固長度不應小于la(非抗震設計)或laE(抗震設計);

      3)帶邊框剪力墻的混凝土強度等級宜與邊框柱相同;

      4)與剪力墻重合的框架梁可保留,亦可做成寬度與墻厚相同的暗梁,暗梁截面高度可取墻厚的2倍或與該片框架梁截面等高,暗梁的配筋可按構造配置且應符合一般框架梁相應抗震等級的最小配筋要求;

      5)剪力墻截面宜按工字形設計,其端部的縱向受力鋼筋應配置在邊框柱截面內;

      6)邊框柱截面宜與該榀框架其他柱的截面相同,邊框柱應符合本有關框架柱構造配筋規定;剪力墻底部加強部位邊框柱的箍筋宜沿全高加密;當帶邊框剪力墻上的洞口緊鄰邊框柱時,邊框柱的箍筋宜沿全高加密。

      3、板柱-剪力墻結構中,沿兩個主軸方向均應布置通過柱截面的板底連續鋼筋,且鋼筋的總截面面積應符合下式要求:

       

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