为什么设置底部加强区?高宽比、边缘构件、连梁等概念的内在逻辑是什么?连梁到底是怎么耗能的,为什么是第一道防线?

第一部分

从梁的受力原理来理解剪力墙的受力

(以下摘《自材料力学》和《混凝土结构设计原理》)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(1)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(2)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(3)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(4)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(5)

结论:

混凝土梁的正截面受弯承载力计算得知,梁应力应变最大的位置出现在距离中性轴最远处(应力应变是相辅相成的,胡克定律的基本原理),因此梁的受力钢筋总是在梁的顶部或者底部,而不会在中间位置。

第二部分 高层建筑结构的受力原理

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(6)

高层建筑结构可以认为是从其自身地基上升起的竖向悬臂构件,可以认为是一个悬臂梁,承受着水平荷载(风、地震)和竖向荷载(恒活荷载),对于高层建筑结构,由于其受力的本质是悬挑,因此高层建筑结构受水平荷载(风、地震)的影响要大于竖向荷载的影响(底部弯矩与高度是正比平方的关系),此处是区别于多层建筑结构的地方。鉴于此,高层建筑结构的抗侧力构件肯定区别于多层结构(柱子),我们要找到抗侧能力更强的一种结构构件。

钢筋混凝土墙由于其平面内刚度很大,因此成为高层建筑结构中最重要的一种构件,我们利用建筑专业给定的墙体,布置钢筋混凝土墙(即剪力墙),从受力上讲剪力墙实质就是一个悬挑梁(平面内受力)。(别名:抗规是抗震墙、高规是剪力墙、也称之为钢筋混凝土墙)解释平面内:力的方向平行于墙体所在的平面就是平面内。

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(7)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(8)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(9)

结论:

(一)剪力墙钢筋配置的内在逻辑

水平风荷载或水平地震作用下,墙体应力应变最大的位置在墙体的端部,如果按照一个梁来理解墙体的话(墙体比悬挑梁多了一个竖向荷载作用下的压力),墙体两端需要设置竖向受力钢筋,因《高规》做了以下规定:(即墙体两端的配筋既要满足7.2.14的构造要求,又要满足计算要求);而墙体中部竖向钢筋类比梁的构造腰筋,故只需按照最小配筋率配筋即可。

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(10)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(11)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(12)

部分截图作参考

(二)为什么设置底部加强区

先说一下悬挑梁,悬挑梁是无多余约束的几何不变体系——是静定结构,因此一旦梁的根部出现裂缝,整个梁容易变为机构体系,发生倾覆破坏,因此我们在设计悬挑梁的时候上部钢筋一般会放大1.3倍,这样才有足够的安全储备;而类比悬挑梁的这个受力特点,高层建筑结构也应该有类似的规定,因此,《高规》有了以下规定:(通过设置底部加强区,对底部加强部位采取高于其他部位的抗震构造措施,保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性)

7.1.4 抗震设计时,剪力墙底部加强部位的范围,应符合下列规定:

1 底部加强部位的高度,应从地下室顶板算起;

2 底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值,部分框支剪力墙结构底部加强部位的高度应符合本规程第10.2.2条的规定;

3 当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以下时,底部加强部位宜延伸到计算嵌固端。

条文7.1.4 抗震设计时,为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性,应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施,包括提高其抗剪切破坏的能力,设置约束边缘构件等,该加强部位称为“底部加强部位”。剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围,一般情况下单个塑性铰发展高度约为墙肢截面高度hw,但是为安全起见,设计时加强部位范围应适当扩大。本规定统一以剪力墙总高度的1/10与两层层高二者的较大值作为加强部位(02规程要求加强部位是剪力墙全高的1/8)。第3款明确了当地下室整体刚度不足以作为结构嵌固端,而计算嵌固部位不能设在地下室顶板时,剪力墙底部加强部位的设计要求宜延伸至计算嵌固部位。

(三)高层建筑结构的高宽比

还是要从悬挑梁说起,下图为同样梁截面尺寸且同样荷载条件下的两个悬挑梁的受力,一个跨度为三米,一个跨度为五米:

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(13)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(14)

很明显,当梁高不变的时候,跨度加大,梁截面就明显不足,也就是,在同样荷载条件下,悬挑梁是有一个合理的跨高比的,当跨高比太大的时候,就很难算过去。

以上的原理同样适用于高层建筑结构,因此有了最大高宽比的概念,设防烈度表达的是荷载,宽度是指建筑结构最外侧抗侧力构件的间距(xy两个方向,因此宽度有两个,取最小的),如下图所示:(旋转90度正好就类似一个悬挑梁)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(15)

高层建筑结构初步设计(高层建筑结构概念设计及受力原理讲解)(16)

对剪力墙结构来说,非抗震设计和6度区时高宽比最大,烈度越高高宽比越小,类比悬挑梁理解的话就是:同样一个跨度的悬挑梁,所受的竖向荷载越大,梁高就越大;

同样位于7度区的剪力墙结构,高宽比最大是6,当建筑结构高度越高的时候,建筑物尽量做的越宽一些,类比悬挑梁理解的话就是:在同样荷载条件下的悬挑梁,梁的跨度越大,梁高就越大;

您还能想到其他结构概念中的一些类比吗?

第三部分 连梁的工作原理和破坏机理

剪力墙结构体系是指:剪力墙和由于剪力墙开洞而形成的连梁组成的结构。

连梁是指两端与剪力墙在平面内相连的梁。一般在风荷载和地震荷载的作用下 ,连梁的内力往往很大。连梁是第一道防线,能够很好地起到耗能的作用。(高层剪力墙结构中梁的种类)

要能够形象地理解连梁的工作原理:

在水平力作用下,墙肢产生弯曲变形,连梁为了协调这种变形,产生内力,梁端产生的弯矩、剪力、轴力反作用于墙肢,约束墙肢变形,反复作用下,梁端形成塑性绞,结构刚度降低,变形加大,从而吸收大量的地震能量,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,也就是可以继续消耗地震能量,对墙肢起到一定的约束作用,延缓墙肢破坏,使剪力墙保持足够的刚度和强度,不至于立即发生倾覆和倒塌,此即为延性破坏。在这一过程中,连梁起到了一种耗能的作用,对减少墙肢内力,延缓墙肢屈服有着重要的作用。此种工作状态是最理想的状态,属于延性破坏,塑性铰的形成对耗能起到了很大的作用,而耗能能力的大小取决于塑性铰的转动能力。此种情况一般出现在连梁跨高比较大的时候(不小于5,高规275页7.1.2建议宜大于6就是这个原因)。而脆性破坏是指对于跨高比较小的连梁,刚度大,吸收的地震力也大,发生剪切破坏时,各墙肢丧失了连梁对它的约束作用,将成为单片的独立墙。这会使结构的侧向刚度大大降低,变形加大,墙肢弯矩加大,由于没有连梁的约束,可能导致结构的倒塌(根源在于转动能力很弱,以及墙体变为独立墙肢)。连梁越柔,协调变形的能力越强,延性越好。

高层剪力墙结构中,连梁是第一道防线,要保证连梁是延性破坏,起到耗能的作用,保证强墙弱连梁。设计时尽量避免采用强连梁(跨高比小于2.5的连梁),尽量采取减小梁高加大跨度的办法达到设计的要求。

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