各结构形式特点.docx
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各结构形式特点.docx
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各结构形式特点
剪力墙又称抗震墙。
一般来说,钢筋混凝土墙都是剪力墙。
补充几个名词解释
框架结构指由柱子、纵向梁、横向梁、楼板等构成的骨架作为承重结构,墙体是围护结构。
框架剪力墙结构指竖向荷载由框架和剪力墙共同承担;水平荷载由框架承受20%~30%,剪力墙承受70%~80%的结构。
剪力墙长度按每建筑平方米50mm的标准设计。
全剪力墙结构是利用建筑物的内墙(或内外墙)作为承重骨架,来承受建筑物竖向荷载和水平荷载的结构。
框架剪力墙结构
框架-剪力墙结构也称框剪结构,这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙,构成灵活自由的使用空间,满足不同建筑功能的要求,同样又有足够的剪力墙,有相当大的刚度,框剪结构的受力特点,是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式,所以它的框架不同于纯框架结构中的框架,剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。
因为,在下部楼层,剪力墙的位移较小,它拉着框架按弯曲型曲线变形,剪力墙承受大部分水平力,上部楼层则相反,剪力墙位移越来越大,有外侧的趋势,而框架则有内收的趋势,框架拉剪力墙按剪切型曲线变形,框架除了负担外荷载产生的水平力外,还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力,剪力墙不但不承受荷载产生的水平力,还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力,所以,上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小,框架中也出现相当大的剪力。
剪力墙结构
剪力墙结构指的是钢筋混凝土剪力墙结构,它是由配筋混凝土墙体作为承受竖向力和风与地震等水平力构件的结构体系,因此也称为抗震墙结构。
它的优点是侧向刚度大,抗震性能好;平面布置灵活,套型设计丰富,尤其结合预应力大开间楼板体系,平面布置更为灵活,扩展了设计师和住户的想象空间。
此外,由于混凝土墙体抗裂、抗渗性能好,且节点都为现浇,容易达到“无渗漏”工程的标准。
它的缺点是自重大,基坑围护和基础成本高,因此宜采用轻质隔墙和短肢墙体系;同时,它的保温性能较差,比如250毫米厚的混凝土外墙,平均传热系数约2.96,远大于上海《住宅设计标准》对外墙传热系数2.0的强制性要求,因此,须采用保温砂浆等保温材料和施工工艺。
目前,我国高层住宅采用最广的结构体系是钢筋混凝土剪力墙,上海最高已应用到40层的高层住宅。
钢筋混凝土结构即主要承重构件包括梁、板、柱全部采用钢筋混凝土结构,此类结构类型主要用于大型公共建筑、工业建筑和高层住宅。
钢筋混凝土建筑里又有框架结构、框架—剪力墙结构、框—筒结构等。
目前25—30层左右的高层住宅通常采用框架—剪力墙结构。
高层建筑的容积率高,土地使用率也高,开发商乐于建设,从建筑经济角度而言,框—剪结构的经济效益是最佳的。
但它的缺点是房型布局有局限性、室内多数墙壁不能拆卸,装修不易,同层平面难免会出现较差户型。
框架结构体系特点
由框架梁、柱、楼板等主要构件组成。
其特点是柱网布置灵活,便于获得较大的使用空间.延性较好。
横向侧移刚度较小。
因此适用需要大空间的、层数不宜太多、房屋的高度不宜太高的建筑,例如商场、车站、展览馆、停车库、宾馆的门厅、餐厅等。
框架应当纵横双向布置,形成双向抗侧力体系。
高层建筑不宜采用框架结构。
框架结构在水平力作用下侧向变形的特征为剪切型。
框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱,再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。
适合大规模工业化施工,效率较高,工程质量较好。
这种结构由梁柱构成,构件截面较小,因此框架结构的承载力和刚度都较低,它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,楼层越高,水平位移越慢,高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力,这时,现浇楼面也作为梁共同工作的,装配整体式楼面的作用则不考虑,框架结构的墙体是填充墙,起围护和分隔作用,框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间,但抗震性能差。
主持人:
框架结构的抗震性能强吗?
赵密:
应该说还是比较强,剪力墙和框架比起来,框架性能差一些,我们抗震我们要设计剪力墙。
主持人:
剪力墙是什么概念?
赵密:
就是钢筋混凝土墙。
主持人:
我们的建筑如果用这种结构做成的话,抗震能力非常强。
赵密:
非常强。
主持人:
框架结构的抗震性能强吗?
转载自“天来泉一方”。
天来泉房子是框架结构,框架结构抗震级别是:
"★★★",居第三位!
汶川大地震这场巨大的灾难所引发的严重伤亡,再次引发了人们对于自己日夜栖身的各种建筑抗震性的关注。
地震专家对历次地震的分析显示,人员伤亡总数的95%以上是由房屋倒塌造成的,仅有不足5%的人员伤亡是直接由地震及地震引发的水灾、山体滑坡等次生灾害导致的。
作为地震中最直接威胁人民群众财产安全的建筑物而言,其抗震标准如何?
我们日夜栖身的建筑都有哪些结构,每种结构的抗震能力如何?
为此,记者采访了中国建筑东北设计研究院高级结构工程师方振武和结构工程师赵辉。
【焦点关注】
房屋结构与抗震性
我们生活中所居住的房屋,由于高度和用途以及建筑时间的不同,造成了结构的不同,同时也决定了房屋的抗震能力也不尽相同。
那么什么样的房屋最抗震呢?
就让我们一同来了解。
钢结构抗震级别★★★★★
特点:
钢结构是以钢材为主要结构材料。
钢材的特点是强度高、重量轻,同时由于钢材料的匀质性和强韧性,可有较大变形,能很好地承受动力荷载,具有很好的抗震能力。
应用:
不过,由于钢结构建筑的造价相对较高,目前应用不是非常普遍。
一般的超高层建筑(100米以上)或者跨度较大的建筑通常应用钢结构,沈阳市比较典型的钢结构建筑为五爱市场二期鞋帽商场。
剪力墙结构抗震级别★★★★
特点:
剪力墙是用钢筋混凝土墙板来承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用剪力墙来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。
应用:
剪力墙结构在高层(10层及10层以上的居住建筑或高度超过24米的建筑)房屋中被大量运用。
框架结构抗震级别★★★
特点:
由钢筋混凝土浇灌成的承重梁柱组成骨架,再用空心砖或预制的加气混凝土、陶粒等轻质板材作隔墙分户装配而成。
墙主要是起围护和隔离的作用,由于墙体不承重,所以可由各种轻质材料制成。
框架结构中,还有一种框剪结构,又名框架—剪力墙结构,它是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合,吸取了各自的长处,既能为建筑平面布置提供较大的使用空间,又具有良好的抗力性能。
这种结构的住房有很好的抗震性。
应用:
框架结构在现代建筑设计中应用较为普遍,我们所见的大多数建筑都是框架结构。
砖混结构抗震级别★★
特点:
砖混结构中的“砖”,是指一种统一尺寸的建筑材料,也包括其他尺寸的异型黏土砖、空心砖等。
“混”是指由钢筋、水泥、沙石、水按一定比例配制的钢筋混凝土配料,包括楼板、过梁、楼梯、阳台。
这些配件与砖做的承重墙相结合,所以称为砖混结构。
砖混结构住宅一般以多层(24米以下,住宅10层以下)住宅为主,其抗震性能比起上述三者相对弱一些。
应用:
砖混结构一般应用在多层或者跨度不大的建筑,但由于砖混结构的房屋格局死板,墙面不能改动,加之近些年框架结构以及剪力墙结构应用得越来越普遍,在城市建设中已经很少应用砖混结构,目前我国只有城郊的一些建筑中还是砖混结构。
【生活警示】
居家装修也要防震
在房屋的设计中,有许多结构都是按照房屋的抗震需要建造的。
因此,在装修中要特别注意,有些地方是坚决不能改动的,否则一旦破坏房屋的整体防震设计,在遇到地震时就极为危险。
装修中,砸掉承重墙是及其危险的做法。
专家介绍,一般情况下,如果一楼的一户居民将承重墙大面积拆除,将导致该楼的抗震性能减弱和负荷应力出现异常,如果此时发生八级地震,楼体很可能会发生整体坍塌。
另外,承重墙也不能随意凿洞,这也有损于房屋的抗震性。
由于普通市民在装修的过程中,对于室内的墙体是剪力墙还是普通墙无法准确判断,专家给我们提供了一个比较容易的判断方法,一般成人一拳厚也就是10厘米的薄墙不是承重墙,如有需要可以进行适当改造,但是对于20厘米的厚墙,是绝对不允许改造的,有的人从墙的外表无法判断剪力墙和砖混墙,专家提示,如果在砸墙过程中看到墙体里面有钢筋就说明这面墙是剪力墙,是不允许改动的。
另外,有的人为了室内美观,把钢筋锯断的做法是极其不正确的做法。
一般房间与阳台之间的墙上,都有一门一窗,窗以下的墙是绝对不能动的,这段墙叫“配重墙”,它像秤砣一样起着挑起阳台的作用。
拆改这堵墙,会使阳台的承重力下降,导致阳台下坠。
另外,不管是房间什么墙上的门窗尺寸也不能随意拆改,扩大原有门窗尺寸或者另建门窗,也会造成楼房局部裂缝以致严重影响抗震能力,从而缩短楼房使用寿命。
【重点解读】
房屋抗震设防烈度
此次汶川地震中,震级为里氏8.0级,但烈度却达到了10度到11度,而四川省建筑的抗震设防烈度为7度,此次地震已经大大超出了建筑抗震设防标准。
震级和地震烈度间到底有什么区别,我们日常生活中房屋的抗震设防烈度应该是多少呢?
地震有强弱之分,而震级是用以衡量地震本身强度的“尺子”。
震级可以通过地震仪器的记录计算出来,它的单位是“级”。
震级的大小与地震释放的能量有关,地震能量越大,震级就越大。
地震发生时,人们通常用地震烈度来描述地面遭受地震影响和破坏的程度,简称烈度。
烈度的大小是根据人的感觉,室内设施的反应,建筑物的破坏程度以及地面的破坏现象等综合评定的,它的单位是“度”。
震级与烈度虽然都可以反映地震的强弱,但含义并不一样。
同一个地震,震级只有一个,但烈度却因地而异,不同的地方烈度值不一样。
对于建筑物的设计而言,每个地区都会根据当地的地质、地貌情况规定不同的房屋抗震设防烈度,具体来说就是建筑物能够防止相应地震烈度的破坏程度的能力,也就是建筑物的抗震能力。
全国各个城市及地区的抗震设防烈度都不相同,沈阳地区的抗震设防烈度是7度,一般城市的抗震设防烈度都在6-9度间。
而一般建筑物的使用年限是50年,也就是相应的抗震设防烈度维持功效的年限是50年。
地震烈度
3度:
少数人有感,仪器能记录到。
4-5度:
睡觉的人会惊醒,吊灯摆动。
6度:
器皿倾倒,房屋轻微损坏。
7-8度:
房屋破坏,地面裂缝。
9-10度:
桥梁、水坝损坏、房屋倒塌,地面破坏严重。
11-12度:
毁灭性的破坏。
【名词解释】
剪力墙:
是由钢筋混凝土浇成的墙体。
由剪力墙组成的承受竖向和水平作用力的结构,称为剪力墙结构。
剪力墙的墙体同时也作为房屋分隔构件。
剪力墙结构可建得很高,主要用于12-30层的住宅和旅馆建筑中,它的缺点是空间划分不灵活。
承重墙:
指支撑着上部楼层重量的墙体,打掉会破坏整个建筑结构;承重墙是经过科学计算的,如果在承重墙上打孔装修,就会影响地基的稳定性。
非承重墙:
是指不支撑着上部楼层重量的墙体,只起到把一个房间和另一个房间隔开的作用,有没有这堵墙对建筑结构没什么大的影响。
跨度:
房屋、桥梁等建筑物中,梁、屋架两端的支柱、桥墩或墙等承重结构之间的距离。
框剪结构抗震性能的改善
收稿日期:
2001-04-20
作者简介:
高公略(1975-),男,江苏丰县人,淮海工学院建筑工程系助教,结构工程硕士;
曹永(1974-),男,江苏邳州人,江苏广播电视大学基建办助教。
框剪结构抗震性能的改善
高公略1,曹永2
(1淮海工学院,江苏 连云港 222005; 2江苏广播电视大学,江苏 南京 210013)
摘要:
通过对框剪结构的受力分析,提出了抗震概念设计的一般原则,并针对框剪结构提出了诸多改善抗震性能的措施和设计方法。
关键词:
延性分析;楼层屈服强度系数;耗能机构
中图分类号:
TU311.3
文献标识码:
A
文章编号:
1008-4207(2001)06-0047-03
框架剪力墙结构兼具了框架布置灵活、延性好和剪力墙刚度大的优点,二者通过水平刚度较大的楼盖协同工作,在水平作用下呈弯剪型位移曲线,层间变形趋于均匀,比纯框架结构侧移小,非结构性破坏轻,其中剪力墙为主要抗侧力构件,框架起到二级防线作用,比剪力墙体系延性好,布置灵活。
因此,框剪结构是一种抗剪性能较好的结构体系。
但由于剪力墙和框架的层间位移角弹性极限值相差很远,当结构遭遇强烈地震时,剪力墙在其底部首先越过弹性变形阶段出现裂缝进而屈服,在出铰部位刚度大幅降低,刚度沿竖向发生突变,在塑性铰区发生塑性转动,从而带动上部的墙体发生刚体位移,再加上弯曲变形,顶部侧移激增,给与之相连的框架施加了很大的附加剪力。
而此刻结构的层间侧移角还远小于框架的弹性变形值,框架尚未充分发挥其自身的水平抗力。
剪力墙和框架之间刚度比值的变化也会引起地震作用的重新分配,增加了框架的负担,使得框架的延性降低,无法有效地担当起二道防线的作用。
另外,框剪结构多用于10~25层左右的商住楼,根据工程设计实践,这一类层数的房屋自振周期大都在0.7~1.7s,与某些地区的地震卓越周期较接近。
如1985年墨西哥太平洋岸的8.1级地震,共有164幢6~20层的房屋倒塌,其中倒塌率最高是10~15层的建筑,而5层以下和25层以上的破坏较轻。
在1975年我国海城地震、1977年罗马尼亚的弗兰恰地震(卓越周期1.4s)中,倒塌最多的也是十几层的建筑物。
从委内瑞拉1967年加拉加斯6.4级地震统计结果也可看出这一规律(见图1)。
图1加拉加斯1967年地震统计结果
当楼层多于14层时,地震力的大小和破坏率都有一个明显的陡然增大的趋势。
因此,采取一些经济实用的方法来改善框剪结构的抗震性能,提高结构的可靠度就显得尤为必要。
结构控制理论为多种建(构)筑物的抗震设计提供了一条有效可行的新途径。
一、改善框剪结构抗震性能的有关措施
结构控制理论将结构的弹塑性分析与抗震相结合、抗震与消震相结合、能动控制与设计相结合,通过主动或被动的控制措施,调整结构的刚度、强度和质量分布,控制结构实现最佳耗能机构,以增大结构的延性和耗能能力,增强结构对地震作用下强迫变形的适应能力,使其满足抗震设防三水准要求。
抗震结构按两阶段设计,即在弹性阶段按强度控制,在弹塑性阶段按变形控制。
这样设计的结构,既有一定的强度,又具有较大的延性和耗能能力,能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。
1.提高剪力墙的抗震性能
(1)将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙。
边框(明框和暗框)可阻止斜裂缝向相邻发展,还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性。
边框应具有足够的斜截面受剪承载力,以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力。
(2)控制每肢墙的高宽比。
必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙,可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处,形成耗能机构,同时使原剪力墙一分为二,刚度降低,避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。
(3)剪力墙的刚性连梁,其跨高比往往仅为1左右。
而试验表明:
当连梁的跨高比为5时,延性和耗能很好,连梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上,滞回曲线也相当饱满;当跨高比降至1时,延性系数则降至3左右,滞回曲线严重捏扰,耗能很小,最后弯剪破坏。
因此,需要对它的组成和构造采取一定措施。
措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通缝,在缝的上、下两侧各埋置钢板,钢板上开有椭圆形螺栓孔,用高强螺栓把两钢板连结。
在竖载、风载和小震下,高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作,使连梁具有一定的"刚性"。
在大震作用时,两钢板发生相对滑动,原来跨高比为1的刚性连梁将被分成两根跨高比为2的小梁协同工作,试验表明,这样可使延性系数由原来的3提高为10左右。
2.提高框架的抗震性能
(1)加强框架的角柱。
角柱是连结纵横框架的枢纽,要增加框架的空间整体性,就要加强角柱的抗剪性能。
(2)沿周圈框架平面按K形支撑和X形支撑布置一定数量的钢筋砼抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板,能有效克服框架的剪力滞后现象,显著提高框架的整体性和抗推刚度,减少结构的整体侧移,特别有利于减小层间侧移。
但这种结构的延性较差,因此,可以在墙板上开十字形结构竖缝使之出现薄弱部位,形成延性耗能墙板。
(3)设置偏交斜撑等赘余杆件,用弯曲耗能代替轴变耗能,其中折曲撑由钢纤维砼杆制造,偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成(如图2和图3)。
在强烈地震作用下,一方面可利用这些赘余杆件的先期屈服和变形来耗散能量,另一方面当赘余杆件破坏或退出工作后,使得结构由一种稳定体系过渡到另一种稳定体系,引起结构自振周期的改变,以避开地震卓越周期的长时间持续作用所引起的共振效应。
图2偏交斜撑布置
图3偏交斜撑弯曲耗能
3.采用新型复合材料节点
提高节点的强度和延性仅靠增加箍筋效果并不显著,而采用钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好。
由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作,使得节点区砼的受力性能特别是剪切变形大大改善,延性和耗能能力显著提高。
4.提高整体结构的抗震性能
(1)实行机构控制,实现总体屈服机制。
在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰,对塑性铰发生的区域、顺序及塑性程度进行控制,使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。
在水平作用下,使水平构件先于竖向构件屈服,最后竖向构
件底部屈服。
(2)使结构的刚度和承载力相匹配。
在框剪结构中,如剪力墙数量多、厚度大,刚度自然也大,但会导致结构自振周期减小,总水平地震作用增大;反之刚度小,地震力也变小。
所以,要根据建筑的重要性、装修等级和设防烈度来综合这一对矛盾,以确定出结构的侧移限值,从而定出抗震墙的数量、厚度,做到既安全又经济。
(3)使结构的刚度和延性相匹配。
剪力墙和框架在刚度、弹性极限变形值和延性系数方面的差异使得框剪结构的抗震性能大打折扣,造成各构件不能同步协调地发挥材料抗力而出现先后破坏被各个击破的情况,大大降低了结构中各构件的利用效率和整体的抗震可靠度。
所以,协调各抗侧力构件的刚度和延性相匹配是工程设计中的一条重要抗震设计原则。
为了能够使剪力墙和框架同步工作,可采用:
·带竖缝剪力墙。
竖缝剪力墙在水平力作用下所产生的侧移,不再是以墙体的剪切变形为主而是以并列柱的弯曲变形为主,原来墙面上的斜向裂缝被并列小柱上、下端的水平裂缝代替。
由于剪力墙的力学性能由剪切转变为弯曲,弹性极限侧移值加大,延性改善,弹塑性耗能增加,避免了普通抗震墙斜裂缝出现后的刚度严重退化。
·采用较好的延性偏交支撑,主要构造是交叉直撑的交叉点处用拼接板、高强螺栓与阻尼材料组成,在小震时,叉点处提供足够的强度和刚度,像普通直撑那样工作。
在强震时,上撑与下撑(或左撑与右撑)之间可相对滑动,导致刚度大大下降,可提高剪力墙和框架之间的协同工作能力。
二、框剪结构的抗震设计与计算
在现行规范的抗震分析中采用协同工作计算法,即采用框架弹性刚度和剪力墙弹性刚度组成并联体结构模型,计算出结构弹性自振周期,按众值烈度计算弹性地震作用F,并将F按弹性刚度比值分配给框架和剪力墙。
该计算方法不能反映出因剪力墙开裂、刚度在局部发生突变而引起墙体转动给结构带来内力重分布,这样显然与实际情况有误差。
因此,有必要作如下调整:
1.在整体按弹性方法计算的基础上,允许个别构件、个别部位按弹塑性性质对刚度进行调整,也允许局部考虑塑性内力重分布进行计算(如图4)。
图4剪力墙底部弯矩调整
2.据空间有限元程序分析结果:
受拉墙肢刚度退化后,实际受压墙肢承受了90%的总剪力而受拉墙肢仅承受了10%,墙肢受剪严重不均匀。
为此对于一、二级抗震墙,受压墙肢的设计弯矩和剪力应乘以1.25,而受拉墙肢可降低10~20%。
3.加强连梁是改善墙肢应力分配不均的有效途径。
通过合理的结构布置,使连梁能够向各片墙肢传递更多轴向力,让各墙肢尽可能地平均分担重力而避免出现某墙肢全截面受拉的情况,从而也改善了墙肢承受剪力不均的状况。
对连梁的设计应符合:
(1)控制连梁端部的剪应力不大于0.15σC,以保证连梁具有足够的截面和抗剪能力。
(2)连梁的剪跨比不应小于1.0,当剪跨比过小时可用水平缝将连梁分隔成两根等高连梁。
(3)根据梁端实际抗弯配筋量并考虑钢筋超强效应的条件,使连梁的受剪承载力大于受弯承载力。
4.调整框架的剪力
(1)为了承受由于剪力墙开裂刚度降低而转移给框架的剪力,并保证框架作为二道防线应具备一定受剪承载力储备,在按剪力墙框架协同工作分析所分配的剪力基础上,再对框架剪力进行调整。
(2)空间有限元程序动力分析结果显示:
框剪结构最大层间相对位移多发生在0.4H~0.8H之间,根据结构中框架的受力特点,对0.4H以上部分的框架适当提高抗剪承载力及延性。
由以上分析可归纳出以下结论:
1.在框剪结构中,保护和改善剪力墙的抗震性能是关键。
2.增加多道抗震防线和延性耗能机构是提高结构抗震性能的有效途径。
3.协调各构件的刚度、承载力和延性相匹配,可大大提高框剪结构的空间整体性能和抗震可靠度。
参考文献:
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清华大学出版社,1989
[2]方善镐.多层与高层建筑结构[M].南京:
东南大学出版社,1998
[3]梁启智,冯建平,王中慧.高层建筑框架剪力墙结构设计实例[M].广州:
华南理工大学出版社,1992
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