高层结构设计第7章 框架-剪力墙结构设计

第7章框架—剪力墙结构设计吕梦周§7.1框架——剪力墙结构布置框架部分按框架剪切墙部分按剪力墙设计满足一些特殊要求10/21/20223剪力墙的布置应遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则1、双向抗侧力体系两个主轴方向均匀布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。如果仅在一个主轴方向布置剪力墙，将造成两个主轴方向结构的水平承载力和侧向刚度相差悬殊，可能使结构整体扭转，对结构抗震不利。2、刚性连接及构件对中布置在框架-剪力墙结构中，为了保证结构的整体刚度和几何不变性，同时为提高结构在大震作用下的稳定性而增加其赘余约束，主体结构构件间的连接（节点）应采用刚接。梁与柱或柱与剪力墙的中心线宜重合，以使内力传递和分布合理，且保证节点核心区的完整性。3、剪力墙的布置剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；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［形等型式；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％，以免受力过分集中；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，洞口宜下对齐；楼、电梯间等竖井的设置，宜尽量与其附近的框架或剪力墙的布置相结合，使之形成连续、完整的抗侧力结构。抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构两个主轴方向的侧向刚度接近；10/21/20225

在长矩形平面中，如果两片横向剪力墙的间距过大，或两墙之间的楼盖开大洞时，楼盖在自身平面内的变形过大，不能保证框架与剪力墙协同工作，框架承受的剪力将增大；如果纵向剪力墙集中布置在房屋两端，中间部分楼盖受到两端剪力墙的约束，在混凝土收缩或温度变化时容易出现裂缝。因此，长矩形平面或平面有一部分较长的建筑中，其剪力墙的布置宜符合下列要求：1)横向剪力墙沿房屋长方向的间距宜满足下表的要求，当这些剪力墙之间的楼盖有较大开洞时，剪力墙的间距应适当减小；2)纵向剪力墙不宜集中布置在房屋的两尽端。注:1.表中B表示楼面宽度,单位为m;

2.装配整体式楼盖指装配式楼盖上设有配筋现浇层；

3.现浇层厚度大于60mm的预应力叠合板可作为现浇板考虑。

4.当房屋端部未布置剪力墙时，第一片剪力墙与房屋端部的距

离，不宜大于表中剪力墙剪力墙间距的1/2。10/21/20227框架一剪力墙结构的平面布置示意图§7.2剪力墙的设置数量

在框架-剪力墙结构中，结构的侧向刚度主要由同方向各片剪力墙截面弯曲刚度的总和控制，结构的水平位移随增大而减小。为满足结构水平位移的限值要求，建筑物愈高，所需要的值愈大。但剪力墙数量也不宜过多，否则地震作用相应增加，还会使绝大部分水平地震力被剪力墙吸收，框架的作用不能充分发挥，既不合理也不经济。一般以满足结构的水平位移限值作为设置剪力墙数量的依据较为合适。设计条件7度、Ⅱ类土8度、Ⅱ类土3%~5%4%~6%2%~3%3%~4%§7.3带边框剪力墙的最小厚度抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位均不应小于200mm，且不应小于层高的1/16；除上述以外的其他情况下不应小于160mm，且不应小于层高的1/20§7.4框架—剪力墙结构内力及侧移计算一、竖向荷载作用下的内力计算框架—剪力墙结构在竖向荷载作用下，框架内力计算方法同框架结构；剪力墙的内力计算方法同剪力墙结构二、水平荷载作用下内力及侧移计算

框架－剪力墙结构的变形与受力特征对比：框架——剪切型——层剪力按照D值分配剪力墙——弯曲型——层剪力按照EI值分配框剪——弯剪型——层剪力按照？？分配在下部：剪力墙帮框架受剪——框架底部剪力减少在上部：框架帮剪力墙受剪——框架顶部剪力加大框架－剪力墙结构中的框架，其所受剪力以及层间变形趋于均匀化10/21/2022131、基本假定（1）、结构单元内同方向的所有框架合并为总框架，所有连梁合并为总连梁，所有剪力墙合并为总剪力墙。总框架、总连梁和总剪力墙的刚度分别为各单个结构刚度之和。（2）、在同一楼层上，总框架和总剪力墙的水平位移相等。（3）、风荷载及水平地震作用由总框架（包括总连梁）和总剪力墙共同承担。2、计算简图

根据总剪力墙与总框架之间的联系性质，框架－剪力墙结构的计算简图可分为两类——铰结体系与刚结体系（1）通过楼板联系——简化为铰结连梁，形成铰结体系总剪力墙总框架10/21/202215(2)通过楼板和连梁联系——简化为刚结连梁，形成刚结体系主要考虑连梁对剪力墙的刚结端，当梁很弱时也可忽略其约束作用而处理成铰结端；框架与总连梁间为铰结，表示楼板的连接作用，至于梁对框架柱的约束作用将反映在D值中总剪力墙总框架10/21/2022163、框架—剪力墙铰结体系协同工作计算

（1）、总剪力墙及总框架的刚度计算总剪力墙抗弯刚度，为每片墙的等效抗弯刚度总框架抗剪刚度，表示产生单位层间角位移所需的推力，如下图所示框架抗剪刚度框架的D值10/21/202217（2）、微分方程的建立力（荷载）平衡条件：变形协调条件10/21/202218力与变形关系剪力墙框架10/21/202219上式联立，经整理可得引入（称为刚度特征值）则得10/21/202220由上式可解出结构的侧移y，并由此求出：10/21/202221（3）、计算图表的应用

①根据荷载形式（有三种）、刚度特征值和高度坐标查图表得系数②根据荷载形式按悬臂杆计算顶点侧移fH，底截面弯矩M0和底截面剪力V0③计算结构顶点侧移y、总剪力墙弯矩Mw和剪力VW以及总框架剪力VF10/21/2022224、框架—剪力墙刚结体系协同工作计算

刚结体系与铰结体系的主要区别在于：总剪力墙与总框架之间的连梁对墙肢有约束弯矩。即连梁切开后，除轴力外，还有剪力，将剪力向墙肢截面形心取矩，并沿高度连续化，便形成分布的约束弯矩m（x），如图。即连梁对墙肢具有约束作用10/21/202223（1）、刚结连梁对墙肢端约束弯矩m(x)的计算剪力墙与框架间的连梁剪力墙之间的连梁刚域取法和连梁约束弯矩系数参照壁式框架10/21/202224①两端有刚域的约束弯矩系数（连梁两端均为剪力墙）②另一端有刚域的约束弯矩系数（连梁一端为剪力墙，另一端为框架）10/21/202225③当转角为(x)，同一层有n个刚结点，并沿层高h离散使之连续化，则总线约束弯矩为钢结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(等代剪力)：相应的荷载(等代荷载)：钢结连梁的约束弯矩所分担的剪力和荷载10/21/202226（2）、微分方程的建立（与铰结体系相仿）10/21/202227经整理可得引入则得10/21/202228比较铰结体系微分方程相同，因此铰结体系中微分方程的解及图表对刚结体系均适用值的计算不同刚结体系的相当于铰结体系的，因此剪力计算两者不同，即用图表得：由平衡条件：铰结体系刚结体系式中：称为框架广义剪力10/21/202229（3）、计算步骤①由荷载形式、、查图表，得系数②按悬臂杆计算③位移与内力结构顶点位移总剪力墙总弯矩总框架广义剪力总框架总剪力总连梁总约束弯矩总剪力墙总剪力10/21/2022305构件内力计算（内力的“再分配”）问题：求出总剪力墙、总框架、总连梁的内力后，如何计算各墙肢、框架梁、框架柱及连梁的内力（1）、剪力墙的内力按各片墙的等效抗弯刚度

分配总剪力墙的总内力，即10/21/202231（2）、框架梁柱的内力按照各柱的抗侧刚度D值分配总框架的总剪力VF，并取各楼层上、下两层楼板标高处的VF的平均值作为该层柱中点（反弯点）的剪力，据此剪力按平衡条件再求梁柱的其他内力，各层柱中点的剪力为为了保证框架的安全，高规规定：VF应不小于0.2V0；对VF<0.2V0楼层，设计时取1.5和0.2V0的较小值，其中V0为地震作用产生的结构底部总剪力，为各层框架部分承担的总剪力中的最大值10/21/202232（3）、连梁的内力按连梁的刚结端刚度系数分配总连梁的总约束弯矩，得连梁在墙肢轴线处的弯矩再求连梁剪力及连梁在墙边处弯矩墙肢转角相同，连梁反弯点在跨中点10/21/2022336、讨论（1）、刚度特征值对框架结构受力和位移特征的影响刚度特征值，反映了框架抗推刚度（包括连梁约束刚度）与剪力墙抗弯刚度的比值影响。当＝0时即为纯剪力墙结构，当＝∞时即为纯框架结构

①位移曲线<1时，变形曲线呈弯曲形>6时，变形曲线呈剪切形＝1～6时，变形曲线呈弯剪型（或反S型）

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②剪力分配沿高度不成一定比例在底部：剪力墙的剪力最大，框架的剪力为0(近似计算造成)

在上部：剪力墙出现负剪力，而框架承担的剪力比外荷载产生的剪力还要大在顶部：剪力墙与框架的剪力都不等于010/21/202235

③水平荷载分配对剪力和微分后可得荷载和。在底部：剪力墙所受的荷载比外荷载大，而框架承受反向荷载；在顶部：剪力墙与框架有大小相等、方向相反的集中力，这是由于它们的顶部剪力不等于0的缘故10/21/202236（2）、框剪结构设计中应注意的问题框剪结构容易满足平面布置灵活和有较大抗侧刚度的要求。此外，由于框架与剪力墙协同工作，使框架层剪力分布，从底到顶趋于均匀（与纯框架结构中，框架层剪力上小下大不同），这对框架的设计十分有利－框架柱和梁的断面尺寸和配筋可以上下比较均匀由此可以看出三个值得注意的问题：①纯框架设计完毕后，如果又增加了一些剪力墙（例如电梯井，楼梯井等改成剪力墙），就必须按框架－剪力墙结构重新核算②剪力墙与框架协同工作的基本条件是：传递剪力的楼板必须有足够的整体刚度。因此框剪结构的楼板应优先采用现浇楼面结构，剪力墙的最大间距不能超过规定限值10/21/202237③框架结构中剪力墙的容量剪力墙数量多，地震震害减轻，多设剪力墙可以提高建筑物抗震性能。但是剪力墙数量愈多，建筑物用料愈多、造价愈高。剪力墙愈多则刚度愈大，自振周期愈短，地震作用愈大，加大了结构的受力。而且，即使剪力墙再多，框架部分耗用的材料并不能减少（因为）剪力墙数量要满足位移限值是一个必要条件。此外，应使剪力墙与框架的比例适当，使＝1.1～2.2为宜10/21/202238§7.5截面设计要点及构造要求框架-剪力墙结构中的剪力墙周边一般与梁、柱连结在一起，形成带边框的剪力墙。为了使墙板与边框能整体工作，墙板自身应有一定的厚度以保证其稳定性。一般情况下，剪力墙的截面厚度不应小于160mm，且不应小于层高的1/20；抗震设计时，一、二级抗震等级剪力墙的底部加强部位均不应小于200mm，且不应小于层高的1/16。当剪力墙截面厚度不满足上述要求时，应对墙体进行稳定性验算。剪力墙的水平分布钢筋应全部锚入边框内，锚固长度不应小于la（非抗震设计）或laE（抗震设计）。带边框剪力墙的混凝土强度等级宜与边框柱相同。边框柱宜与该榀框架其他柱的截面相同，且应符合一般框架柱的构造配筋规定。剪力墙底部加强部位边框柱的箍筋宜沿全高加密；当带边框剪力墙上的洞口紧邻边框柱时，边框柱的箍筋宜沿全高加密。与剪力墙重合的框架梁可保留，亦可做成宽度与墙厚相同的暗梁，暗梁截面高度可取墙厚的2倍或与该片框架梁