壁式框架内力计算_4种类型剪力墙的计算要点
剪力墻又稱抗風墻、抗震墻或結構墻。
房屋或構筑物中主要承受風荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載(重力)的墻體,防止結構剪切(受剪)破壞。又稱抗震墻,一般用鋼筋混凝土做成。
它分平面剪力墻和筒體剪力墻。
平面剪力墻用于鋼筋混凝土框架結構、升板結構、無梁樓蓋體系中。為增加結構的剛度、強度及抗倒塌能力,在某些部位可現澆或預制裝配鋼筋混凝土剪力墻。
現澆剪力墻與周邊梁、柱同時澆筑,整體性好。
筒體剪力墻用于高層建筑、高聳結構和懸吊結構中 ,由電梯間、樓梯間、設備及輔助用房的間隔墻圍成,筒壁均為現澆鋼筋混凝土墻體,其剛度和強度較平面剪力墻可承受較大的水平荷載。
墻根據受力特點可以分為承重墻和剪力墻,前者以承受豎向荷載為主,如砌體墻;后者以承受水平荷載為主。在抗震設防區,水平荷載主要由水平地震作用產生,因此剪力墻有時也稱為抗震墻。
按結構材料可以分為鋼板剪力墻、鋼筋混凝土剪力墻和配筋砌塊剪力墻。其中以鋼筋混凝土剪力墻最為常用。
一般按照剪力墻上洞口的大小、多少及排列方式,將剪力墻分為以下幾種類型:
整體墻
沒有門窗洞口或只有少量很小的洞口時,可以忽略洞口的存在,這種剪力墻即稱為整體剪力墻,簡稱整體墻。
當門窗洞口的面積之和不超過剪力墻側面積的15%,且洞口間凈距及孔洞至墻邊的凈距大于洞口長邊尺寸時,即為整體墻。
小開口整體墻
門窗洞口尺寸比整體墻要大一些,此時墻肢中已出現局部彎矩,這種墻稱為小開口整體墻。
連肢墻
剪力墻上開有一列或多列洞口,且洞口尺寸相對較大,此時剪力墻的受力相當于通過洞口之間的連梁連在一起的一系列墻肢,故稱連肢墻。
框支剪力墻
當底層需要大空間時,采用框架結構支撐上部剪力墻,就形成框支剪力墻。在地震區,不容許采用純粹的框支剪力墻結構。
壁式框架
在連肢墻中,如果洞口開的再大一些,使得墻肢剛度較弱、連梁剛度相對較強時,剪力墻的受力特性已接近框架。由于剪力墻的厚度較框架結構梁柱的寬度要小一些,故稱壁式框架。
開有不規則洞口的剪力墻
有時由于建筑使用的要求,需要在剪力墻上開有較大的洞口,而且洞口的排列不規則,即為此種類型。
需要說明的是,上述剪力墻的類型劃分不是嚴格意義上的劃分,嚴格劃分剪力墻的類型還需要考慮剪力墻本身的受力特點。
根據受力性能不同,可分為以下幾種:
獨立墻肢、整體小開口剪力墻、整截面剪力墻、壁式框架、連肢剪力墻
剪力墻結構隨著類型和開洞大小的不同,計算方法和計算簡圖也不同。
整體墻和小開口整體墻的計算簡圖基本上是單根豎向懸臂桿,計算方法按材料力學公式(對整體墻不修正,對小開口整體墻修正)計算。其他類型剪力墻,其計算簡圖均無法用單根豎向懸臂桿代表,而應按能反映其性態的結構體系計算。
1·、 整體剪力墻
對于整體剪力墻,在水平荷載作用下,根據其變形特征(截面變形后仍符合平面假定),可視為一整體的懸臂彎曲桿件,用材料力學中懸臂梁的內力和變形的基本公式進行計算。
(1) 內力計算
整體墻的內力可按上端自由,下端固定的懸臂構件,用材料力學公式,計算其任意截面的彎矩和剪力。總水平荷載可以按各片剪力墻的等效抗彎剛度分配,然后進行單片剪力墻的計算。剪力墻的等效抗彎剛度(或叫等效慣性矩)就是將墻的彎曲、剪切和軸向變形之后的頂點位移,按頂點位移相等的原則,折算成一個只考慮彎曲變形的等效豎向懸臂桿的剛度。
(2) 位移計算
整體墻的位移,如墻頂端處的側向位移,同樣可以用材料力學的公式計算,但由于剪力墻的截面高度較大,故應考慮剪切變形對位移的影響。當開洞時,還應考慮洞口對位移增大的影響。
2、 小開口整體剪力墻
小開口墻是指門窗洞口沿豎向成列布置,洞口的總面積雖超過墻總面積的15%,但仍屬于洞口很小的開孔剪力墻。
通過實驗發現,小開口剪力墻在水平荷載作用下的受力性能接近整體剪力墻,其截面在受力后基本保持平面,正應力分布圖形也大體保持直線分布,各墻肢中僅有少量的局部彎矩;沿墻肢高度方向,大部分樓層中的墻肢沒有反彎點。
在整體上,剪力墻仍類似于豎向懸臂桿件。就為利用材料力學公式計算內力和側移提供了前提,再考慮局部彎曲應力的影響,進行修正,則可解決小開口剪力墻的內力和側移計算。
首先將整個小開口剪力墻作為一個懸臂桿件,按材料力學公式算出標高處的總彎矩、總剪力和基底剪力。
其次,將總彎矩分為兩部分:1)產生整體彎曲的總彎矩(占總彎矩的85%),2)產生部彎曲的總彎矩(占15%)。
3、 雙肢剪力墻
聯肢墻由于門窗洞口尺寸較大,墻截面上的正應力不再成直線分布其受力和變形發生了變化,墻肢的線剛度比連梁的線剛度大得多,每根連梁中部有反彎點,各墻肢單獨彎曲作用較顯著,僅在少數層內墻肢出現反彎點,故需采用相應方法分析。
墻面上開有一排洞口的墻稱雙肢墻;當開有多排洞口時,稱多肢墻。
雙肢墻由于連系梁的連結,而便雙肢墻結構在內力分析時成為一個高次超靜定的問題。為了簡化計算,一般可用解微分方程的辦法(連續連桿法)計算。
4、 多肢剪力墻
具有多于一排且排列整齊的洞口時,就成為多肢剪力墻。多肢墻也可以采用連續連桿法求解,基本假定和基本體系取法都和雙肢墻類似。
由于墻肢及洞口數目比雙肢墻多,因此沿豎向切口的基本未知量將相應增多。
在每個連梁切口處建立一個變形協調方程,則可建立k個微分方程。要注意,在建立第個切口處協調方程時,除了跨連梁內力影響外,還要考慮第-1跨連梁內力和第1+1跨連梁內力對墻肢的影響,這是與雙肢剪力墻的一個明顯區別。
總結
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