高层建筑结构设计课件

1、高层建筑结构 授课老师：XXX 1 第六章 框架框架-剪力墙结构设计剪力墙结构设计 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 6.1 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。 3 *.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、。 4 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； 5 3. 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

3、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。 6 7 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(8.1.4)： 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 力中的最大值。 0 2

4、 . 0 VV f 0 2 . 0 VV f 0 V maxf V 0 V maxf V 8 各层框架所承担的地震总剪力按调整后， 应按调整前、后总剪力的比调整每根框架 柱和与之相连框架梁的剪力及端部弯矩标 准值，框架柱的轴力标准值可不予调整。 按振型分解反应谱法计算地震作用时， 所规定的调整可在振型组合之后进行。 9 框架剪力墙变形受力特点 (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

5、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。 10 11 框架剪力墙变形受力特点 层间位移最大值发生在（0.40.8）H范围 内。 在水平力作用下，框架上下各层剪力取用 值比较接近。 具有多道抗震防线，是一种抗震性能良好 的结构体系。 12 6.1.2 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）。 13 6.1.3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

6、足规范要求。 14 结构体系 非抗震 设计 抗震设防烈度 6度7度 8度 9度 0.20g0.30g 框架7060504035- 框架-剪力墙1501301201008050 剪力 墙 全部落 地剪力 墙 1501401201008060 部分框 支剪力 墙 1301201008050不应采用 筒体 框架-核 心筒 1601501301009070 筒中筒20018015012010080 板柱-剪力墙11080705540不应采用 表6-3 A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m） 15 表6-4 B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

7、6度7度 8度 0.20g0.30g 框架-剪力墙结构170160140120100 剪力墙 全部落地剪力墙180170150130110 部分框支剪力墙15014012010080 筒体 框架-核心筒220210180140120 筒中筒300280230170150 16 表6-5 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543- 板柱-剪力墙654- 框架-剪力墙、剪力墙7654 框架-核心筒8764 筒中筒8875 17 6.1.4 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

8、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。 18 表6-5 每一方向剪力墙的刚度之和应满足的数值（KNM ） 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 755WH83 WH193 WH 8110 WH165 WH385 WH 9220 WH330 WH770 WH 剪力墙的合理数量 19 6.1.5 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 （8.1.5）。 2框架一剪力墙结构可采用

9、下列形式（8.1.2）： （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。 20 3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。 c be 4 1 0 21 4（8.1.7）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： 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

10、墙间距不宜过大； 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； 纵横剪力墙宜组成L形、T形和型等型式； 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30%； 22 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； 楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力 结构结合布置； 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。 23 5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： 横向剪力墙沿长方向的间距宜满足表8.1.8 要求。当这些剪力墙之间的楼盖有较大开 洞时，剪力墙间距应适当减小。 纵向剪力墙不宜集中布置在房屋两尽端，

11、 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。 24 表 8.1.8 剪力墙间距（m） 注：1、表中B为楼面宽度，单位为m； 2、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- 25 第六章 框架框架-剪力墙结构设计剪力墙结构设计 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

12、能 6.4 框架-剪力墙结构构件的截面设计及构造 要求 26 6.2.1 基本假定及总剪力墙和总框架 刚度计算 一、基本假定： 楼板在自身平面内刚度无穷大。 结构比较对称，不计扭转。 不考虑剪力墙与框架柱的轴向变形与基础 转动。 27 框架一剪力墙体系的形式 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） 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

13、保证各片平面结构具有相同的水平侧移。 28 楼板简化为铰接连杆，连梁截面较小 铰接体系 29 空间剪力墙形成刚性连杆 连梁对柱的约束作用反映在D中。 刚接体系 30 （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。 n egw EIEI 31 （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（转角）所需剪力 总框架剪切刚度 2 12hiD ci fi c Vh V V hhDC ifi ifif DhCC i DD 32

14、 *.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 H Ch C m i fi f H EIh EI m wii w fi C wi EI i h m i hH 33 6.2.2 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

15、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。 34 *.连续连杆法的计算简图是什么？ 35 弹性地基梁剪力墙 弹性地基框架反力 荷载水平力p(x) )(xp f 弹性地基梁 36 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： )()( 4 4 xpxp dx yd EI fw 建立微分方程 37 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=dy/dx时，总框架的层 间剪力为： 微分得： dx dy CCV fff 2 2 )( d

16、x yd Cxp dx dV ff f 38 代入整理得： 2 2 4 4 )( dx yd Cxp dx yd EI fw ww f EI xp dx yd EI C dx yd)( 2 2 4 4 39 引入符号 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 H x w f EI C H )( 4 2 2 2 4 4 p EI H d yd d yd w 40 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 )()( 211 BchAshCCy qp)( 2 4

17、 2 2 2 f C qH ay 2 2 211 2 )()( f C qH BchAshCCy 41 *.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。 ： d dy Hdx dy1 f f ff w ww w w www V d dy H C dx dy CV V d yd H EI dx dM V d yd H EI dx yd EI dx d EIM 3 3 3 2 2 22 2 42 对解求导 f C qH shBchAC d dy 2 2 )()( )()( )()( 33 3 3 2 22 2 2 shBchA d yd C qH chBshA

18、d yd f 43 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。 44 边界条件： 1. 底部 2. 底部转角 3. 顶部 4. 00y0 1 BC 0 0 0 2 AC 1 0M 0 2 22 f C qH chBshA 1 0 fw VV 45 解得： ch sh C qH C f 1 2 1 f C qH C 2 2 f C qH A 2 ch sh C qH B f 1 2 2 46 求得的位移及内力（均布荷载） 位移： 总墙弯矩： 2 1)(1)( 1 2 2 4 shch ch sh EI qH y w 1)(

19、)( 1 2 2 shch ch shqH M w 47 总墙剪力： 总框架剪力： )( 1 )( sh ch sh ch qH Vw )()( wpf VVV 求得的位移及内力（均布荷载） 48 *.如何采用查图法求总剪力墙的位移 与内力？ H H f f y y )( 0 0 )( M M M M w w 0 0 )( V V V V w w 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。 49 50 51 52 *.如何求

20、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 )()( wpf VVV )()1 ( wf VqHV )()1 ( 2 1 2 wf VqHV )( wf VPV 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 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 63 *.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

21、 虑剪力引起的弯矩对剪力墙的约束作用。 64 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。 65 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。 66 *。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） 1 2 12 GAl EI l EI

22、 ba ba m 6 )1)(1 ( )1 ( 3 12 l EI ba ba m 6 )1)(1 ( )1 ( 3 12 l EI a a m 6 )1)(1 ( 1 3 12 l EI a m 6 )1)(1 ( 1 2 21 67 *。梁端约束弯矩 梁端集中约束弯矩： 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。 )()(x h m h M xm abjabj abj 1212 mM 2121 mM n l n j abj abjj x h m xmxm 11 )()

23、()( h mabj 68 *。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 H x m mdxM 产生此弯矩所对应的剪力和荷载分别为： 等代荷载： n j n j abjabj m m dx dy h m x h m m dx dM V 11 )( n j abj m m dx yd h m dx dV xp 1 2 2 )( 69 （4）总剪力墙微分方程弹性地基 梁 2 2 1 2 2 1 2 2 4 4 )( )( )()()( dx yd h m Cxp dx yd h m dx yd Cxp xpxpxp dx yd EI n j abj f n j abj f mf

24、w ww n j abj f EI xp dx yd EI h m C dx yd)( 2 1 4 4 得： 70 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 w n j abj f EI h m C H 1 hx/ w EI Hp dx yd dx yd 4 2 2 2 4 4 )( w V 71 3。刚接框一剪结构的内力计算 （1）计算刚度特征值 （2）由及 ，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

25、力 。即 w n j abj f EI h m C H 1 Hx w V p V w V f V wpf VVV 72 （4）将 按框架抗剪刚度和连梁总约束 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 f V f V f n j abj f f f V h m C C V 1 f n j abj f n j abj V h m C h m m 1 1 mVV ww 73 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 ： d dy Hdx dy1 f f ff w ww w w www V d dy H C dx dy CV V d yd H

26、EI dx dM V d yd H EI dx yd EI dx d EIM 3 3 3 2 2 22 2 74 6.2.4 内力分配计算 （1）剪力墙内力分配 （2）框架梁柱内力分配 wi n j wij wij wij M EI EI M 1 wi n j wij wij wij V EI EI V 1 2 ) 1( 1 ippi k j ij ij cij VV D D V 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。 75 （3）刚接连梁内力计算 轴线处： 2 1ii ii hh mM i n j abij abij a

27、bij M m m M 1 76 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。 2121 1212 M xl dlxl M M x clx M b b l mm m x 2112 12 l MM V bb b 2112 l MM Vb 2112 77 第六章 框架框架-剪力墙结构设计剪力墙结构设计 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 78 6.3.2 结构内力分布特征 剪力墙pw 框架pf P （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。 fw ppp 79 刚度特征值 W f EI C H 刚接体系 铰接体系 w n j abj f EI h m C H 1 h mabj 为连梁的总约束刚度 80 刚度特征值 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/ 综合框架抗剪刚度（使总框架在