第7章框架剪力墙结构设计.pptx
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1、7.1 7.1 框剪结构协同工作原理及计算方法框架-剪力墙结构由框架以及剪力墙两类抗侧力单元共同来抵抗水平力和竖向力。7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第1页/共85页框架-剪力墙结构的受力与变形特点框架剪力墙框架-剪力墙变形特点荷载分配剪力分布 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第2页/共85页框架-剪力墙结构的剪力分布VpVwVf 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第3页/共85页变形特点:剪力墙变形以弯曲型变形为主;框架变形以剪切型变形为主。框 架:层间变形上小下大框架剪力墙结构的层间变形在下部小于纯框架,在上部小于纯剪力
2、墙,共同作用曲线上、下层层间变形更加均匀。剪力墙:层间变形上大下小 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第4页/共85页受力特点受力特点剪力墙单元刚度比框架大得多,协同工作时,剪力墙担负大部分水平荷载。两者之间相互作用力:剪力墙下部变形增大,框架减小,故下部为拉力。上部正好相反,剪力墙变形减小,框架增大,故上部为推力。框架上部和下部所受剪力趋于均匀化。7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第5页/共85页计计 算算 方方 法法1、杆件单元矩阵位移法:剪力墙简化成大刚域平面框架。该方法考虑杆件轴、剪、弯的影响,同行考虑扭转,计算结果较精确。这是目前大部分结构
3、通用计算程序所采用的方法,它建立在平面结构假定的基础上,这种程序称为空间协同工作计算程序。2、手算法:利用图表,较适用于比较规则结构中,可以得到满意的结果。这种方法不考虑柱轴向变形影响,在高度较大的高层建筑中计算有误差。上述两种方法都基于平面结构及楼板在平面内无限刚度的假定,均是将纵向和横向水平荷载分别进行计算。手算近似方法将所有剪力将合并为总剪力墙,所有框架合并成总框架,协同工作计算主要解决荷载在总剪力墙与总框架间的分配。得到各自的总内力,并计算侧移。每片剪力墙内力,按各片墙等效刚度进行再分配,各个柱子水平剪力将按每个柱子D值进行再分配。7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原
4、理第6页/共85页两种计算图形本节主要目的是确定如何归并总剪力墙,总框架,以及如何确定剪力墙与总框架之间的联系和相互作用方式。剪力墙和框架间联系有两类通过楼板通过联系梁楼板的作用是保证各片平面结构具有相同的水平位移,但是假定平面外刚度为0,其对各个平面结构不产生弯矩,联系梁可以简化成铰结连杆。铰接体系框架和剪力墙之间通过由联系梁连接,联系梁对墙会产生约束弯矩。刚接体系 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第7页/共85页通过楼板通过楼板框架和剪力墙之间只通过楼板联系,可简化为铰结体系。总剪力墙:2片组成;总框架:5榀框架组成 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同
5、工作原理第8页/共85页通过联系梁通过联系梁横向:总剪力墙:4片墙组成;总连杆:联系梁简化为连杆,连杆与剪力墙相连端为刚结,总框架:5片框架组成;与框架相连端为铰结。包括4个刚结端。1234 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第9页/共85页纵向:、轴又有剪力墙又有柱。一端与墙相连,一端与柱相连的梁也称为联系梁,该梁对墙、柱都会产生约束作用,对柱约束反映在D值中,故同、轴,连杆与剪力墙为刚结,与框架为铰结。12345678通过联系梁 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第10页/共85页总剪力墙:4片墙组成;总框架:2框架6根柱子组成;总连杆:包括8个
6、刚结端12345678通过联系梁 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第11页/共85页所有剪力墙总剪力墙所有框架总框架所有楼板连梁铰接体系刚接体系杆端约束情形刚性连杆包括所有与墙肢相连的联系梁刚结端总连杆 7.1 7.1 框剪结构协同工作原理框剪结构协同工作原理第12页/共85页7.2 7.2 铰结体系协同工作计算一、总剪力墙以及总框架刚度计算总剪力墙:抗弯刚度为每片剪力墙抗弯刚度之和:其中:k剪力墙片数;总 框 架:为所有梁、柱单元总和,其刚度为所有柱抗推刚度总和。总 连 杆:为所有楼板、联系梁单元总和。EIeq 每片墙的等效抗弯刚度,按前述方法进行计算。7.2 7.2
7、 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第13页/共85页框架抗推刚度的定义:产生单位层间变形角所需的推力。根据柱D的定义,CF可由柱D值计算。7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第14页/共85页假定:1、总框架各层抗推刚度相等,均为CF;注意:实际工程中各层抗推刚度和抗弯刚度不可能相同,如果各层变化不大,本方法适用,相差过大,用加权平均方法可以得到 平均的CF以及EIW值。CFi总框架中各种不同的抗推刚度;EiIWi总剪力墙中各种不同的抗弯刚度;hi各段相应的高度。2、总剪力墙各层抗弯刚度相等,为EIW。7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第15页
8、/共85页当框架很高时,需要考虑柱轴向变形对CF(框架抗推刚度)的影响,以减小该方法的误差。H50m或 H4B时,需要修正抗推刚度M仅仅考虑梁、柱弯曲变形时候框架的顶点位移。N仅仅考虑梁、柱轴向变形时候框架的顶点位移。M、N可以用34种简化方法计算。计算时可以用任意给定荷载,但是需要用相同的荷载算M 以及N。7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第16页/共85页二、计算公式二、计算公式采用连续化方法,连杆切开后,将各层连杆中的未知力PFi化为未知函数PF(x)。7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第17页/共85页 7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰
9、接体系协同工作计算第18页/共85页切开后的总剪力墙为静定结构,按照下图中正符号规则,悬臂墙的弯曲变形与内力有如下关系:符号规则对框架而言:=dy/dx,故求导一次:代入式得:7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第19页/共85页符号规则代入式得:这是关于y的微分方程。令有其中框架结构刚度特征值,为框架抗推刚度与剪力墙抗弯刚度的比值;相对坐标,原点为固定端处,应注意与双肢剪力墙推导时不同。7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第20页/共85页式的解为yc1c2AshBchy1C1、C2、A、B为四个待定常数,可以由边界条件确定。(1)当1(顶部),在倒三
10、角以及均布水平荷载下,总剪力为0,VW+VF=0即顶部集中水平力P下VW+VF=P即 7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第21页/共85页(2)当0(底部),底部为固接,转角近似为0,即(3)当1(顶部),剪力墙弯矩为0,即(4)当0(底部),底部为固接,位移为0,即 7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第22页/共85页在确定的荷载形式下,顺序解出上述四个边界条件,可以求出四个待定常数。用此方法可以分别求出在三种荷载下的变形曲线y()对总剪力墙:对总框架:或者VF=VPVW 7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第23页/共85页倒
11、三角分布荷载下:7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第24页/共85页均布荷载作用下:7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第25页/共85页顶点集中荷载作用下:7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第26页/共85页三、计算图表三、计算图表y,Mw,Vw中自变量为和。为使用方便,分别将三种水平荷载下的位移,弯矩以及剪力画成曲线,示于下图中。(咱们教材上图5-33为倒三角形荷载)7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算第27页/共85页三、计算图表三、计算图表 7.2 7.2 铰接体系协同工作计算铰接体系协同工作计算求出系
12、数后;用下列公式求出位移和内力:第28页/共85页刚结体系协同工作计算刚结体系协同工作计算刚结体系与铰结体系之间的主要区别:1、总剪力墙和总框架间的连杆对墙肢有约束弯矩作用。2、连杆切开后,连杆中除轴向力外,还有剪力。7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第29页/共85页将剪力向墙肢截面形心轴取矩,就形成约束弯矩将剪力向墙肢截面形心轴取矩,就形成约束弯矩Mi。将约束弯矩及连梁轴力连续化后,可以得到基本计算体系。与铰结体系相比:框架部分完全相同,但剪力墙部分增加了约束弯矩。7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第30页/共85页一、刚结连杆杆端约束弯矩一、刚
13、结连杆杆端约束弯矩形成刚结连杆的联系梁有两种:墙肢与框架之间墙肢与墙肢之间 7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第31页/共85页 7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第32页/共85页联系梁均可以简化成带刚域的梁,刚域长度取为墙肢形心轴到连梁边距离减去1/4连梁的高度。1、墙肢与墙肢之间当两端有单位转角,根据已得到的带刚域杆的杆端弯矩系数:如果不考虑剪切变形,可以令0 7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第33页/共85页2、墙肢与框架之间、墙肢与框架之间上面公式中令b=0,可得:另一端约束弯矩系数m12=0也可以很容易地写出,但是
14、在刚结连杆计算中不用,故此处省去。如果不考虑剪切变形,可以令0 7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第34页/共85页注意:实际工程中,上述方法计算出来的联系梁弯矩往往过大,配筋过多,可以对梁弯矩进行塑性调幅。方法是降低联系梁刚度,即用hEI代替EI,h不小于0.55。将约束弯矩连续化,则第i个梁端单位高度上约束弯矩为:h层高 7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第35页/共85页当同一层有n个刚结结点时(与墙肢相交的结点),总连杆约束弯矩为连梁总约束刚度n个刚结结点统计方法:每根两端刚域联系梁为2个,mab指m12或m21(一端刚域的梁只有一个mab指
15、m12)7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第36页/共85页假定:框架从底层到顶层层高以及杆件截面都不变,沿着高度连杆约束刚度为常数。从而梁端转角为 时梁端约束弯矩:M12=m12 M21=m21当实际结构中各层不同时,取各层约束刚度加权平均值为连梁约束刚度。7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第37页/共85页剪力墙:二、计算公式刚接连梁的约束弯矩使剪力墙x截面产生的弯矩为:相应的剪力及荷载分别为:上式之剪力及荷载统称为“等代剪力”和“等代荷载”7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第38页/共85页有了约束弯矩后,剪力墙的变形、内
16、力和荷载间的关系可表示为:二、计算公式与无约束弯矩的剪力墙相比,后两式中均多了一项,即多了“等代剪力”和“等代弯矩”由于总框架的受力体系仍与铰接体系相同,pF仍与前同。7.3 7.3 刚接体系协同工作计算刚接体系协同工作计算第39页/共85页代入,整理得:令=x/H则此方程与铰结体系完全相同,故铰结体系中所有微分方程解对刚结体系均适用,图表也适用;但有区别。二、计算公式第40页/共85页1、值计算不同,增加了约束弯矩影响项2、剪力墙、框架的剪力计算不同。铰结体系:刚结体系:在刚接体系中,把由y微分三次得到的剪力记为(由表中查出来的结果是由按此关系得到的);再考虑连梁约束弯矩的影响,有此方程与铰
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- 框架 剪力 结构设计
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