5 框架、剪力墙、框剪结构的近似计算方法与设计概念Ⅰ

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第5章框架、剪力墙、框架-剪力墙结构的近似计算方法与设计概念

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周葆春

土木工程学院

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5.3 剪力墙结构的近似计算方法

5.4 框架-剪力墙（筒体）结构的近似计算方法

5.5 扭转近似计算

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高层建筑实际结构是复杂的空间受力体系，它是由水平的刚性楼板和竖向的受力构件（框架柱、剪力墙、筒体）组成的空间结构。

实际荷载也是很复杂的，钢筋混凝土结构又会有开裂、屈服等现象，并不是弹性匀质材料。即便使用电子计算机计算，可以按照三维受力状态来进行结构内力和位移分析，要对多、高层建筑结构作精确计算也是十分困难的。

尤其在设计方案计算和估算时进行手算，需要对结构进行简化并做出基本假定，得到合理的计算图形，以便简化计算。

本节只讨论一些结构计算中的基本简化原则。针对各种具体结构计算方法，还有一些各自的假定，将在以后章节中进行讨论。这些假定主要体现在以下五个方面：

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线弹性分析方法是最基本的结构分析方法，也是最成熟的方法，可用于所有高层建筑结构体系的计算分析。

理论分析、试验研究和工程实践表明，在承载能力极限状态和正常使用极限状态，线弹性分析结果可以满足工程精度要求，保证结构安全。

该假定认为，结构在永久荷载作用和可变荷载作用下，从整体上看处于弹性工作状态，其内力和位移按弹性方法计算。

因为是弹性计算，叠加原理可以用，不同荷载作用时，可以进行内力组合。

某些情况下可以考虑局部构件的塑性变形内力重分布，以及罕遇地震作用下的第二阶段验算，此时结构均已进入弹塑性阶段。

现行规范的设计处理方法仍多以弹性计算的结果通过调整或修正来解决。5

实际风荷载及地震作用方向是随意的、不定的。

但是，在结构计算中常常假设水平力作用在结构的主轴方向。

对互相正交的两个主轴x方向及y方向，分别进行内力分析。

在矩形平面中，主轴分别平行于两个边长方向，如上图。

在其他形状的平面中，可根据平面几何形状和尺寸确定主轴方向。6

任何结构都是一个空间结构。

但对框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系而言，大多数可以把空间结构简化为平面结构，使计算大大简化。这里作了两个假定：

(1) 一片框架或一片墙可以抵抗在本身平面内的侧向力，而在平面外的刚度很小，可以忽略不计。

因此，整个结构可以划分成若干平面结构，共同抵抗与平面结构平行的侧向荷载，垂直于该平面方向的结构不参加受力。

(2) 各个平面抗侧力结构之间通过楼板互相联系并协同工作。

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楼板在其自身平面内刚度很大，可视为刚度无限大的平板。

楼板平面外的刚度很小，可以忽略不计。

在目前高层建筑结构计算中，一般都假定楼板在自身平面内的刚度无限大，在水平荷载作用下楼盖只有刚性位移而不变形。

所以在构造设计上，要使楼盖具有较大的平面内刚度。再者，楼板的刚性可保证建筑物的空间整体性能和水平力的有效传递。房屋高度超过50m

的高层建筑采用现浇楼盖比较可靠。

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高层建筑结构计算中，一般假定结构底部嵌固。

主体结构计算模型的底部嵌固部位，理论上应能限制构件

在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转角位移，并将上部结构的剪力全部传递给地下室结构。

因此，对作为主体结构嵌固部位的地下室楼层的整体刚度和承载能力应加以控制

。

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：

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内力分析时要解决两个问题

在上述假定下，内力分析时要解决两个问题：

（1）水平荷载在各片抗侧力结构间的分配。荷载分配和各片抗侧力结构的刚度有关，刚度愈大的结构单元分配到的荷载愈多。不能按照受荷载面积计算各片抗侧力结构的水平荷载。

（2）计算每片抗侧力结构在所分到的水平荷载作用下的内力及位移。

这两个问题将按照框架结构、剪力墙结构及框架一剪力墙结构依次在以后几节中详细讨论。

在筒体结构中，一般采用空间分析。

在一些具有不规则平面或无法划分成平面抗侧力结构计算的复杂结构中，上述简化带来的误差较大，也宜按空间结构进行分析。11

高层建筑结构的设计步骤

（1）选择合理的结构形式（框架结构、剪力墙结构、框架－剪力墙结构、框架－筒体结构），主要是根据建筑功能的要求（比如大空间的平面布置，可选择框架、框筒结构），抗震性能（地震区，宜选用周期较长的结构形式以减少地震作用，而在强风区，过长的自振周期会对结构的抗风产生不利影响）以及经济性。

（2）确定所选结构上各类构件的截面尺寸和数量（如框架梁、柱截面尺寸，框－剪结构中剪力墙的片数，筒体的壁厚等）。在选定高层建筑结构形式之后，初选构件截面尺寸和构件数量的正确与否，将会直接影响到结构的计算工作量。

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（3）确定结构上各类计算荷载的数值（竖向荷载和水平荷

载）。根据我国高层建筑的现状，在方案估算阶段，可按经验估算确定结构的单位面积重力荷载：

框架结构：12～14 kN/m2；

框－剪结构：14～16 kN/m2；

剪力墙、筒体：15～18 kN/m2。

（4）对所选结构进行内力分析和变形计算。(本章内容)

（5）对结构构件进行截面设计（各种强度或变形的验算）。

（6）建筑物地面以下的基础选择和设计。

（7）绘制结构施工图。

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1．计算单元

框架结构房屋是由梁、柱、楼板、基础等构件组成的空间结构体系，一般应按三维空间结构进行分析。

但对于平面布置较规则的框架结构房屋，为了简化计算，通常将实际的空间结构简化为若干个横向或纵向平面框架进行分析，每榀平面框架为一计算单元。

就承受竖向荷载而言，当横向（纵向）框架承重时，截取横向（纵向）框架进行计算，全部竖向荷载由横向（纵向）框架承担，不考虑纵向（横向）框架的作用。

当纵、横向框架混合承重时，应根据结构的不同特点进行分析，并对竖向荷载按楼盖的实际支承情况进行传递，这时竖向荷载通常由纵、横向框架共同承担。

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