結(jié)構(gòu)計(jì)算中水平受力的受力分析

1、 概要：結(jié)構(gòu)受水平力后的變形形態(tài)有幾種模擬方式，本文根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行比較式論述很常見的四個(gè)概念，但是一定要小心：彎曲變形、剪切變形，彎曲型變形、剪切型變形。注意，一個(gè)字之差，意思卻大不相同。 彎曲變形、剪切變形：這兩個(gè)是材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)中的概念，分別指構(gòu)件中的某一個(gè)截面的彎矩、剪力產(chǎn)生的變形，可以由彎矩和抗彎剛度EI、剪力和抗剪剛度GA計(jì)算得到。框架結(jié)構(gòu),剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的水平位移曲線的特點(diǎn)：1、框架:抗側(cè)剛度較小，其位移由兩部分組成：梁和柱的彎曲變形產(chǎn)生的位移,側(cè)移曲線呈剪切型,自下而上層間位移減小;柱的軸向變形產(chǎn)生的側(cè)移,側(cè)移曲線呈彎曲型,自下而上層間位移增大

2、.第一部分是主要的,第二部分很小可以忽略，所以框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的側(cè)移曲線以剪切型為主，故稱為剪切型變形.2、剪力墻:抗側(cè)剛度較大，剪力墻的剪切變形產(chǎn)生位移，側(cè)向位移呈彎曲型,即層間位移由下至上逐漸增大，相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁;3、框-剪:位移曲線包括剪切型和彎曲型,由于樓板的作用,框架和墻的側(cè)向位移必須協(xié)調(diào).在結(jié)構(gòu)的底部,框架的側(cè)移減小;在結(jié)構(gòu)的上部,剪力墻的側(cè)移減小,側(cè)移曲線呈彎剪型,層間位移沿建筑物的高度比較均勻,改善了框架結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能,也有利于減少小震作用下非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞 框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小,在水平力作用下產(chǎn)生較大側(cè)向位移該位移變形包括1、由柱子的拉壓變形產(chǎn)生水平位移而引

3、起的整體彎曲，該部份所占比例小而被忽略了、梁柱桿件發(fā)生彎曲變形后產(chǎn)生的水平位移而引起的剪切變形。底部的剪力大剪切變形就大，樓層增高該變形逐漸減小而剪力墻結(jié)構(gòu)就是如同它是一根下部嵌固的懸臂深梁剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較大,在水平力作用下其結(jié)構(gòu)類似于一根豎向懸臂構(gòu)件,可以把地球理解成這根豎向懸臂構(gòu)件的支座,地面就是它的固定端,它的變形當(dāng)然是離固定端近的就比較小了,好象挑梁一樣. 彎曲變形對應(yīng)彎曲破壞，是延性破壞，剪力墻剛度大，對應(yīng)的是彎曲變形，給一個(gè)單位力施加在結(jié)構(gòu)上，所產(chǎn)生的位移對應(yīng)是柔度，框架結(jié)構(gòu)變形較剪力墻變形大，是相對其剪力墻較柔，剛度較差。剪切變形對應(yīng)剪切破壞，是脆性破壞，結(jié)構(gòu)中盡量避免，延

4、遲。 有些概念，只是概念，結(jié)構(gòu)中很多是試驗(yàn)得到的。另一種理解方式： 根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)我們知道結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移包括三部分：彎矩引起的、剪力引起、軸力引起。一般多層框架結(jié)構(gòu)的變形主要是由梁柱的彎曲變形產(chǎn)生的，層間剪力除以層抗側(cè)剛度，高層的話軸力變形也是不容忽略的。這種變形的形狀和懸臂梁在剪力作用下的相似，所以叫剪切變形。而剪力墻結(jié)構(gòu)的變形主要由彎曲和剪切變形，變形的形狀和懸臂梁的彎曲變形相似，所以稱為彎曲變形。為什么都是和懸臂梁的變形做比較，每個(gè)建筑從整體上看都是坐落在大地上的懸臂梁。老莊結(jié)構(gòu)總提的老子的思想，一生二，從懸臂梁轉(zhuǎn)化簡支梁、固端梁等等。計(jì)算圖形的表示：水平荷載作用下框架側(cè)移近似計(jì)算

5、1.水平荷載作用下框架側(cè)移的組成多層框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移主要是由水平荷載引起的，可近似認(rèn)為由梁柱彎曲變形（梁柱本身的剪切變形甚微，忽略不計(jì)）和柱的軸向變形所引起的側(cè)向位移的迭加。側(cè)移計(jì)算應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。（1）梁柱的彎曲變形剪切型變形框架結(jié)構(gòu)層間剪力一般越靠近下層越大，所以梁柱的彎曲變形所引起的框架層間側(cè)移具有越靠近底層越大的特點(diǎn)，其側(cè)移曲線與懸臂柱的剪切變形曲線相似，故稱為剪切型變形曲線。圖3.2-13框架結(jié)構(gòu)的變形（2）柱的軸向變形彎曲型變形由柱的軸向變形所引起的框架側(cè)移曲線與一懸臂柱彎曲變形的側(cè)移曲線相似，故稱這種變形為彎曲型變形。對于層數(shù)不多的多層框架結(jié)構(gòu)，一般柱的軸向變形引起的側(cè)移很小

6、，可忽略不計(jì)。在近似計(jì)算中，只需計(jì)算梁柱彎曲變形引起的側(cè)移，即剪切型變形。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)規(guī)定：房屋高度50m或高寬比4的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮柱的軸向變形（N(510)%M）。2.水平荷載作用下框架側(cè)移的計(jì)算梁柱的彎曲變形引起的框架側(cè)移可采用D值法近似計(jì)算?？蚣艿趇層第j柱的側(cè)移剛度Dij及第i層各柱的側(cè)移剛度之和Di分別為框架的層間側(cè)移為：框架的頂點(diǎn)側(cè)移為3.框架側(cè)移控制若層間側(cè)移過大框架填充墻和建筑裝飾損壞。若框架頂點(diǎn)側(cè)移過大影響正常使用，甚至使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或破壞。在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)側(cè)移應(yīng)滿足如下限值：l層間側(cè)移：uh/450（輕質(zhì)隔墻）uh/550（砌體填

7、充墻）l頂點(diǎn)側(cè)移：uH/550（輕質(zhì)隔墻）uH/650（砌體填充墻）框架 剪力墻 框剪結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)的變形為剪切型，剪力墻結(jié)構(gòu)的變形為彎曲型，框架結(jié)構(gòu)的變形為彎剪型。有的時(shí)候只是死記硬背，而不知其中真正的原因，很多人都有這種現(xiàn)象， 首先 什么叫剪切型、彎曲型？ 一般國內(nèi)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教材上都是這樣定義的：彎曲型：變形特點(diǎn)與懸臂梁的彎曲變形規(guī)律一致，稱為彎曲變形。剪切型：變形特點(diǎn)與懸臂梁的剪切變形規(guī)律一致，稱為剪切變形。 1.框架結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn) 要理解框架結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)首先研究下框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。 (1)框架結(jié)構(gòu)在水平力作用下的受力特點(diǎn) 方便起見，僅考慮單層單跨的框架結(jié)構(gòu)，計(jì)算其在水平力

8、作用下的內(nèi)力分布情況。圖一單層單跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn) 框架結(jié)構(gòu)的抗傾覆彎矩是由兩部分組成的：框架柱柱端彎矩 框架邊柱的軸力組成的彎矩。 對于單層單跨框架結(jié)構(gòu)，這兩部分各占50%，即都為FH/2。 (2)框架結(jié)構(gòu)在水平力作用下的變形特點(diǎn) 現(xiàn)在，我們換個(gè)角度看問題。假如上圖中的抗傾覆彎矩計(jì)算位置不是取在底部而是取在柱子的反彎點(diǎn)位置處，那么結(jié)構(gòu)受力就像圖二（d）圖所示?？梢詫D二（a）中框架看成一根空腹的懸臂柱，截面高度為框架總跨度，在反彎點(diǎn)切開時(shí)，空腹懸臂柱的彎矩M和剪力V 各自產(chǎn)生相應(yīng)的變形。由于軸向方向的截面利用率大于受彎截面利用率（可以試算相同的力用于受壓以及用于受彎時(shí)的變形值），剪力V產(chǎn)生的變形

9、要遠(yuǎn)大于彎矩M產(chǎn)生的變形，框架結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)整體呈現(xiàn)剪切型。圖二某框架結(jié)構(gòu)變形示意 2.剪力墻結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn) 研究剪力墻的結(jié)構(gòu)變形之前，我們先看一個(gè)多層排架的受力及變形特點(diǎn)。 （1）排架結(jié)構(gòu)受力及變形特點(diǎn)排架結(jié)構(gòu)可以看做成一種特殊的框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)梁柱線剛度比大于4的時(shí)候，可以將梁看做無窮剛，此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域不發(fā)生相對變形。當(dāng)柱子線剛度遠(yuǎn)大于梁線剛度時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)可以看做鉸接，就是圖三中的排架結(jié)構(gòu)。有的人要問了，為什么排架也是框架，但圖三中的變形是彎曲型，而不是框架的剪切型呢？框架與排架的本質(zhì)區(qū)別在于梁柱節(jié)點(diǎn)有無相對變形（梁是否受剪、柱子是否有軸力、柱子是否有反彎點(diǎn)）。圖三中的排架結(jié)構(gòu)，柱子的受力形式接近于懸臂梁，因此其變形特性為彎曲型。（可以看看圖四中的柱子彎矩圖，假如取出一整根框架柱計(jì)算變形應(yīng)為剪切型）圖三多層排架結(jié)構(gòu)受力及變形圖四 多層框架結(jié)構(gòu)受力及變形 （2）剪力墻結(jié)構(gòu)變形 剪力墻結(jié)構(gòu)由于“柱子構(gòu)件”剪力墻截面巨大，其實(shí)說白了就是一種排架結(jié)構(gòu)（弱連梁）或者沒有梁的排架結(jié)構(gòu)（整片墻），（只不過為了控制其變形，剪力墻的剛度很大）因此其變形形式為彎曲型。 3.框剪結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn) 框剪結(jié)構(gòu)是框架與剪力墻構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。 圖五示意了框架剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型?？梢詫⒖蚣芗袅Y(jié)構(gòu)等效成一種排架與框架結(jié)構(gòu)混用的結(jié)構(gòu)形式，只不過排架結(jié)構(gòu)的柱子不是柱子截面范疇是剪力墻截面。圖五 框架剪力墻結(jié)構(gòu)示意 對于