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1、高层建筑混凝土结构设计高层建筑混凝土结构设计第第4 4章章 框架框架剪力墙结构设计剪力墙结构设计1 在框架在框架-剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件。设计时应剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件。设计时应在两个主轴方向都布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。否则，将会在两个主轴方向都布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。否则，将会造成两个主轴方向的抗侧刚度相差悬殊，无剪力墙的一个方向刚度造成两个主轴方向的抗侧刚度相差悬殊，无剪力墙的一个方向刚度不足且带有纯框架的性质，与有剪力墙的另一向不协调，也容易造不足且带有纯框架的性质，与有剪力墙的另一向不协调，也容易造成结构整体扭转。成结构整体扭转。在框架在框
2、架-剪力墙结构中剪力墙结构中,梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合，框梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合，框架梁、柱中心线之间有偏离时，应符合第架梁、柱中心线之间有偏离时，应符合第5 5章的有关规定。章的有关规定。框架框架-剪力墙结构中框架的布置要求同第剪力墙结构中框架的布置要求同第5 5章框架结构的有关规章框架结构的有关规定。定。框架框架-剪力墙结构中剪力墙的布置剪力墙结构中剪力墙的布置原则：原则：均匀、对称、分散、均匀、对称、分散、周边及在薄弱环节处设置剪力墙周边及在薄弱环节处设置剪力墙。框架框架-剪力墙结构布置剪力墙结构布置2（1 1）剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、）剪力墙宜
3、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，剪力墙间距不宜过大；平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；（2 2）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；）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；（3 3）纵、横剪力墙宜组成）纵、横剪力墙宜组成L L形、形、T T形和形和 形等形式（见下图）；形等形式（见下图）；框架框架-剪力墙结构中剪力墙的布置宜符合下列要求：剪力墙结构中剪力墙的布置宜符合下列要求：（4 4）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）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力的40
4、40；（5 5）剪力墙宜贯通建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞）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；时，洞口宜上下对齐；（6 6）楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；）楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；（7 7）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）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。接近。3剪力墙的最大间距宜满足下表的要求：剪力墙的最大间距宜满足下表的要求：7.2 7.2 构件截面尺寸估算构件截面尺寸估算一、二级的底部加强区一、二级的底部加强区 1/16 1/16层高，且层高，且20
5、0mm 200mm 其他其他 1/20 1/20层高层高 且且160mm160mm 1.1.剪力墙的厚度剪力墙的厚度 主要应满足剪力墙主要应满足剪力墙承载力承载力及及平面外稳定平面外稳定的要求（剪力墙厚度对变形的要求（剪力墙厚度对变形的影响较小）。的影响较小）。剪力墙的厚度是否满足承载力的要求，只能根据最终的设计计算结剪力墙的厚度是否满足承载力的要求，只能根据最终的设计计算结果检验。果检验。为防止剪力墙平面外失稳，带边框剪力墙的最小厚度应满足为防止剪力墙平面外失稳，带边框剪力墙的最小厚度应满足4 框架框架-剪力墙结构，当框架部分承受的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力剪力墙结构，当框架部分承受的地震
6、倾覆力矩大于总地震倾覆力矩矩50%50%时，时，其框架部分的抗震等级应按纯框架结构采用，其框架部分的抗震等级应按纯框架结构采用，轴压比限值应按纯框轴压比限值应按纯框架结构的规定采用。架结构的规定采用。2.2.梁、柱截面及混凝土强度等级梁、柱截面及混凝土强度等级 框架框架-剪力墙结构中框架梁的截面估算方法与框架结构完全相同；剪力墙结构中框架梁的截面估算方法与框架结构完全相同；框架柱截面的估算方法亦与框架结构相同，仅轴压比限值不同，轴压比框架柱截面的估算方法亦与框架结构相同，仅轴压比限值不同，轴压比限值见下表：限值见下表：框架、剪力墙混凝土强度等级等要求，分别同第框架、剪力墙混凝土强度等级等要求，
7、分别同第5 5章、第章、第6 6章相应的要求。章相应的要求。轴压比限值轴压比限值57.3 7.3 框架框架-剪力墙结构的内力及位移计算剪力墙结构的内力及位移计算一、竖向荷载作用下的内力计算一、竖向荷载作用下的内力计算框架的内力计算同第框架的内力计算同第5 5章章剪力墙的内力计算同第剪力墙的内力计算同第6 6章章二、水平荷载作用下的内力及位移计算二、水平荷载作用下的内力及位移计算协同工作法协同工作法1.1.基本假定基本假定1 1）将所有框架合并为总框架，所有剪力墙合并为总剪力墙。总框架、总）将所有框架合并为总框架，所有剪力墙合并为总剪力墙。总框架、总剪力墙的刚度分别为各单个结构刚度之和，且沿竖向
8、均匀分布（当刚度剪力墙的刚度分别为各单个结构刚度之和，且沿竖向均匀分布（当刚度沿竖向有变化时，取其加权平均值）。沿竖向有变化时，取其加权平均值）。2 2）在同一楼层上，总框架和总剪力墙的水平位移相同。（条件是合力中心）在同一楼层上，总框架和总剪力墙的水平位移相同。（条件是合力中心与刚度中心重合，否则，应考虑扭转。）与刚度中心重合，否则，应考虑扭转。）3 3）将连梁简化为沿高度均匀分布的连续弹性薄片，反弯点在跨中。）将连梁简化为沿高度均匀分布的连续弹性薄片，反弯点在跨中。62.2.计算简图计算简图73.3.内力及位移计算内力及位移计算 说明：因为弯矩正向定义与说明：因为弯矩正向定义与材料力学不同
9、，所以公式中材料力学不同，所以公式中的正负号与材料力学中的相的正负号与材料力学中的相反。反。根据根据M、V、p的微分关系的微分关系对总剪力墙则有：对总剪力墙则有：8式中：式中：刚度特征值反映总框架与总剪力墙的刚度比。刚度特征值反映总框架与总剪力墙的刚度比。将不同的水平荷载（均布、倒三角、顶部集中力）代入上式，并求解微分将不同的水平荷载（均布、倒三角、顶部集中力）代入上式，并求解微分方程，可得出位移曲线方程如下：方程，可得出位移曲线方程如下：为了将为了将pf用变形曲线函数用变形曲线函数y(x)表达表达,应先给出总框架的剪切刚度应先给出总框架的剪切刚度Cf，即总框，即总框架产生单位转角所需之力。架
10、产生单位转角所需之力。9均布荷载作用：均布荷载作用：为了将上式制成图表以方便使用，需将以上各式化成无量纲形式，为了将上式制成图表以方便使用，需将以上各式化成无量纲形式，根据上式制成的图，即教材中的图根据上式制成的图，即教材中的图图图。10111213 倒三角形荷载或顶部集中荷载作用下，公式推导过程同上，此处从略。倒三角形荷载或顶部集中荷载作用下，公式推导过程同上，此处从略。4.4.计算步骤计算步骤（1 1）计算总剪力墙、总框架刚度）计算总剪力墙、总框架刚度（2 2）由）由及楼层相对及楼层相对标高标高（=x/H/H），并根据水平荷载形式查位移），并根据水平荷载形式查位移及内力及内力系系数，然后分
11、别乘以数，然后分别乘以 ，即可得到总剪力墙的位移及内力。，即可得到总剪力墙的位移及内力。（3 3）根据）根据各片剪力墙的等效刚度，将总剪力墙的内力分配给各片剪力墙；各片剪力墙的等效刚度，将总剪力墙的内力分配给各片剪力墙；总框架的剪力可由下式确定总框架的剪力可由下式确定 每根框架柱的剪力为每根框架柱的剪力为 ，其余计算同，其余计算同D D值法。值法。14已知：如图所示框架已知：如图所示框架剪力墙结构，承受均布荷载剪力墙结构，承受均布荷载q=150kN/mq=150kN/m，刚度特征值，刚度特征值，求底层、求底层、5 5层、层、8 8层、层、1010层处总剪力墙的层处总剪力墙的M Mw w及及V
12、Vw w和总框架的和总框架的V Vf，并给出内力，并给出内力(M(Mw w 、V Vw w 、V Vf)的分布图。的分布图。15层号层号 标高标高 10108 85 50 03030242415150 01 10 00 00 0-3780-3780-844-84435775357751 1-1044-1044-248-248 914 914 4500 4500 1044 1044 1148 1148 1336 1336 0 016175.5.框架框架剪力墙刚结体系剪力墙刚结体系 前面给出的计算方法中，总框架与总剪力墙之间没有连梁，二者之间是前面给出的计算方法中，总框架与总剪力墙之间没有连梁，二
13、者之间是用楼板相连的，无约束弯矩，我们称这种体系为用楼板相连的，无约束弯矩，我们称这种体系为框架框架剪力墙铰接体系剪力墙铰接体系。下图所示框架下图所示框架剪力墙中，有剪力墙中，有连梁连梁直接与剪力墙相连，连梁将对剪力墙产直接与剪力墙相连，连梁将对剪力墙产生约束弯矩，我们称这种情况为生约束弯矩，我们称这种情况为框架框架剪力墙刚结体系剪力墙刚结体系。结构平面图结构平面图刚结体系计算简图刚结体系计算简图18结构平面图结构平面图刚结体系刚结体系铰接体系铰接体系192021 刚结体系的计算方法与铰接体系的计算方法基本相同，仅刚度特征值及总刚结体系的计算方法与铰接体系的计算方法基本相同，仅刚度特征值及总框
14、架剪力的计算有变化（具体公式推导从略）。框架剪力的计算有变化（具体公式推导从略）。1 1）刚度特征值刚度特征值 其中，其中，n为同一层内连梁与墙肢相交的结点数。为同一层内连梁与墙肢相交的结点数。n个结点的统计方法是：个结点的统计方法是：每根两端刚域连梁有每根两端刚域连梁有2 2个结点，个结点，mij是指是指m1212及及m2121；一端刚域的连梁只有一个；一端刚域的连梁只有一个结点，结点，mij是指是指m1212 式中式中2 2）总框架广义剪力）总框架广义剪力总框架的剪力为总框架的剪力为总连梁的约束弯矩为总连梁的约束弯矩为总剪力墙的剪力为总剪力墙的剪力为（为按铰接体系求出的剪力墙剪力）为按铰接
15、体系求出的剪力墙剪力）22每根连梁的约束弯矩每根连梁的约束弯矩其余计算方法同铰接体系。其余计算方法同铰接体系。236.6.刚度特征值与内力、位移的关系刚度特征值与内力、位移的关系1 1）与剪力分布的关系与剪力分布的关系当当很小时，剪力墙承担大部分剪力，当很小时，剪力墙承担大部分剪力，当=0=0时，即为纯剪力墙结构；时，即为纯剪力墙结构；当当很大时，框架承担大部分剪力，当很大时，框架承担大部分剪力，当=时，即为纯框架结构；时，即为纯框架结构；在在1 16 6之间时，在顶部框架与剪力墙的剪力均不为零（但二者之和为零），之间时，在顶部框架与剪力墙的剪力均不为零（但二者之和为零），在底部，剪力墙承担全
16、部剪力，框架剪力为零（这是由近似计算造成的，实在底部，剪力墙承担全部剪力，框架剪力为零（这是由近似计算造成的，实际框架会受一定剪力）。际框架会受一定剪力）。（注意：纯框架结构剪力分布下大上小、顶部为零，控制截面在底部；框架（注意：纯框架结构剪力分布下大上小、顶部为零，控制截面在底部；框架-剪剪力墙中的框架，剪力最大值发生在中部附近，大约在力墙中的框架，剪力最大值发生在中部附近，大约在之间之间，随着，随着增大，向下增大，向下移动。）移动。）24 当当1 1时，变形曲线为弯曲型（层间位移上大下小）；时，变形曲线为弯曲型（层间位移上大下小）；当当66时，变形曲线为剪切型（层间位移上小下大）；时，变形
17、曲线为剪切型（层间位移上小下大）；当当=1=16 6之间时，变形曲线介于弯曲型和剪切型之间，下部略呈弯曲型，之间时，变形曲线介于弯曲型和剪切型之间，下部略呈弯曲型，上部略呈剪切型，称为弯剪型。上部略呈剪切型，称为弯剪型。2 2）与位移曲线的关系与位移曲线的关系25 从图中可见，当从图中可见，当时，框架部分承受的地震倾覆力矩大于总地震倾时，框架部分承受的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的覆力矩的50%50%，说明剪力墙数量偏少，说明剪力墙数量偏少，其框架部分的抗震等级应按纯框架结构其框架部分的抗震等级应按纯框架结构采用，轴压比限值应按纯框架结构的规定采用。采用，轴压比限值应按纯框架结构的规定采用。
18、另外，剪力墙也不必布置得过多，宜使另外，剪力墙也不必布置得过多，宜使，否则，框架承受的剪力，否则，框架承受的剪力将过小，不能充份发挥作用。将过小，不能充份发挥作用。由此可见，最佳范围为由此可见，最佳范围为，。当然，。当然，不在最佳范围之内也是不在最佳范围之内也是可行的。可行的。3 3）的最佳范围的最佳范围267.4 7.4 截面设计要点及构造要求截面设计要点及构造要求 框架框架剪力墙的截面设计及构造要求基本上与第剪力墙的截面设计及构造要求基本上与第5 5章框架结构、第章框架结构、第6 6章剪章剪力墙结构相同，以下仅介绍一些不同之处。力墙结构相同，以下仅介绍一些不同之处。一、框架总剪力的调整一、
19、框架总剪力的调整抗震设计时：抗震设计时：1.1.当当V Vf0f0时，其框架总剪力不必调整；时，其框架总剪力不必调整；2.2.当当V Vf f0 0时，其框架总剪力应按时，其框架总剪力应按0 0和和fmaxfmax二者的较小值采用。二者的较小值采用。二、构造要求二、构造要求框架框架剪力墙结构中，剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率：剪力墙结构中，剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率：抗震设计时抗震设计时0.25%0.25%非抗震设计时非抗震设计时0.2%0.2%并至少设置双排，拉筋直径并至少设置双排，拉筋直径66，间距，间距600600与剪力墙重合的框架梁可保留，亦可做成宽度与剪力墙同厚的暗梁，暗梁与剪力墙重合的框架梁可保留，亦可做成宽度与剪力墙同厚的暗梁，暗梁高度可取高度可取2 2倍墙厚或与框架梁等高，暗梁可按构造要求配筋。倍墙厚或与框架梁等高，暗梁可按构造要求配筋。剪力墙底部加强部位的边框柱箍筋宜全高加密。剪力墙底部加强部位的边框柱箍筋宜全高加密。27根据根据 ，查下图或由公式计算可知，此时，查下图或由公式计算可知，此时大约为。大约为。28