看结构牛人对框架剪力墙结构框架内力调整的分析.docx
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看结构牛人对框架剪力墙结构框架内力调整的分析
看结构牛人对框架剪力墙结构框架内力调整的分析
首先，来看看规范是如何执行这个内力调整的：
根据高规和抗规的规定：
抗震设计时，框架-剪力墙结构中剪力墙的数量必须满足一定要求。
这就是说，在地震作用时剪力墙作为第一道防线承担了大部分的水平力。
但这并不意味着框架部分可以设计得很弱。
相反，框架部分作为第二道防线必须具备一定的抗侧力能力，这就需要在计算时，对框架部分所承担的剪力进行调整。
在高规中，对Vf 其次，理解为什么要进行框架部分的内力调整
我想几乎所有的结构工程师都大概的知道这是为了保证框架作为结构二道防线之用。
那么详细分析起来会是如何呢？
首先来看典型框架剪力墙的内力分配图（此图为解析推导，与实际情况稍有出路，可以参考理论推导的假设，但是基本规律是合适的）。
由图可见在结构的底部剪力墙需承担大部分的内力，变形上是剪力墙小而框架大，因此剪力墙在此部分起到主导的作用，即第一道防线，若在外力作用下剪力墙屈服则将转移很大的内力给框架，此时只按弹性分析设计出来的框架将无法承担这部分由墙转移出来的作用而破坏，因此我们需要提高底部区域框架的设计内力以实现它的二道防线功能。
那么对于结构的上部区域是否还是这样的情况呢？
那就不是了，顶部区域框架可能承担超过层剪力的作用而剪力墙的内力则反向与外力作用相同，因此在上部（尤其是顶部）区域，框架剪力=外力+墙剪力！
而变形上框架小剪力墙大，此时实际上框架起到主导作用，是框架在帮剪力墙，那么两道防线的概念则发生了转移，因此在框架剪力墙结构的顶部区域也需要加强框架。
第三，对于普通的框架剪力墙结构而言，执行了规范的规定会出现什么结果？
应该分两种情况讨论，第一种情况，当1.5Vf,max0.2V0时，框架剪力墙结构中底部区域的内力调整由0.2V0控制，中部区域不需要调整，上部区域由0.2V0控制，此时也出现了对于顶部区域而言就会出现内力调整系数过大的情况，这种情况下调整框架的内力在结构概念上就意义就不清晰了，因此HiStruct建议，此时若调整系数很大则可直接采用“2”的调整系数，但是一般情况下既然1.5Vf,max>0.2V0则说明框架部分其实也不太弱，即顶部按0.2V0的调整系数一般不会太大，可以设计下来。
在规范尚未明确可以分段采用V0时，也考虑框架剪力墙结构的顶部区域需要加强框架，因此从安全性的角度出发，规范的规定还是老实执行为好。
第四，特殊情况下的一些内力调整措施
实际结构设计存在一些特殊的情况，HiStruct举一些例子供大家参考，其实只要真实的理解了框架剪力墙结构，那么概念设计和抗震措施上需要加强之处自然也就水落石出了。
（1）带加强层的框筒结构，这种情况下加强层附近框架内力一般有较大突变，Vf,max可不需要按照此处采用，而要从整体概念上把握，但是由于规范对加强层处的设计无具体规定，因为还是建议适当加强。
（2）混合结构，见规范的规定，适当提高要求。
（3）框肢柱，见规范要求。
（4）结构有明显的规律性分段如竖向构件减数，立面缩进，转换等，可考虑分段调整，但要强调整体把握。
（5）少量较大框架柱，由于建筑布置等原因，可能框架柱较少，若要突破规范就要提方案审查，可参考少量框肢柱的内力调整规定或更强措施。
最后，结语
其实只有真正理解了框架剪力墙结构体系，在理论依据和结构概念设计的基础上，可深入理解规范条文，面对结构设计中千变万化的特殊情况时，具体问题具体分析，那么设计思路和加强措施也就水到渠成。
HiStruct注：
感谢okok论坛的sh0315兄提供很多有用的信息，如下：
蔡益燕《双重体系中框架的剪力分担率》、胡庆昌《钢筋混凝土框剪结构抗震设计若干问题的探讨》、黄吉锋，李云贵，邵弘，陈岱林的《高层建筑抗震设计中两种剪力调整的讨论》你可以参考下。
另外最新的《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》（CECS230:
2008）对于混合结构的框架-剪力墙和框架-核心筒结构框架部分的剪力就是以第i楼层的总地震层剪力的10%~18%（具体数值详本规范）来规定的。
这本规范依据钱嫁茹、魏勇、蔡益燕、郁银泉、申林《钢框架-混凝土核心筒结构框架地震设计剪力标准值研究》（《建筑结构》2008年第3期）的研究而得来。
陈富生、邱国桦、范重《高层建筑钢结构设计》P278页“框架总剪力的最小值”一段的论述也可以参考。
我的感觉是从这些论文来看，取0.2倍基底总剪力似乎不妥，加之1.5Vf,max似乎概念更加模糊，设计大师胡庆昌的那篇文章应该很明确。
相关论文下载如下：
,
HiStruct尝试对论文进行一些分析：
首先，看蔡益燕老师的文章,请大家首先要注意一点的是它将注意力放在钢框架剪力墙和框架核心筒结构中讨论,做过设计的朋友都知道这两个结构体系,底部框架部分分担的剪力比别说0.25Vi,0.2Vi了,就是0.1Vi都很难实现（Vi为层剪力），这种情况下的一种观点（可以算上我）是认为0.1Vi都实现不了，就不应该叫做双重抗侧力体系；而另一种观点就是可以继续调整，那么怎么调整？
用文章中提到了美国人的方法？
--蔡益燕老师也说去掉核心筒之后剩下的框架如何保持结构稳定性还是个问题，更别提接下来的计算了和复核0.25V0了！
HiStruct所知在国外的设计中强调抗力体系的概念，比如一个结构中抗侧力体系和抗竖向力体系是可以独立设计的，但是需要强调的是如果按照此文中的方法做，把核心筒去掉，剩下一个“独立”的外框架，怎么计算？
如果想不通那么一定是咱们都没理解美国人的意思。
为什么不回过头来反思，难道我们一定要按照美国人的思路来做吗？
他们一定就对了吗？
难道我们自己就不能主动去理解这个结构体系了？
希望大家也都反思一下，其实pkpm专家的论文就值得读。
话说回来在这之前我就看到过类似蔡老师提到的美国人的做法，就是胡老师文中提到的Dr.S.K.Ghosh的解释，只是我也一开始也不解，导致后来不想去解，那么各位中国的结构工程师们看完这些美国人的说法之后都打算怎么猜他们的意思呢？
HiStruct推荐可以去读一篇文章《采用ETABS及美国规范设计境外某高层建筑结构的体会》易勇张蜀泸刘兰花冯远（中国建筑西南设计研究院有限公司）。
其次，请注意上述文章都是基于钢框架为主的，那么如果框架采用混凝土或者型钢混凝土呢？
还能照搬这些专家们的意见吗？
各位自己思考吧，本博客上关于框架剪力墙结构框架内力调整设计建议的文章，绝大部分是基于我觉得还不错的一些教材的资料，需要强调的是这些说法都不是普适性的理论。
第三，在第一次做超高层框架核心筒结构的时候,HiStruct进行了大量的分析计算以了解框架剪力墙这个结构体系,因为是年轻人,所以在面对有争议的问题时,我更相信的是自己亲自弄出来的结论,当然那些自己做过的体会不是一篇博文就能说得清楚，其实调整系数这个问题在我的脑子中就是一个概念设计的强化措施而已,实际上抗震审查的专家有可能要求我们做得比规范严格得多,但是只要是概念朝着更安全的方向,就至少不是一种消极的态度.你可以把它做得很保守或者由于限额设计的要求要做的很经济，但是不管怎么样，建议各位自己心里一定要有个“数”。
注：
国外的做法可以参考，但是不建议照搬。
今天翻了一下方鄂华老师的书，其中关于美国规范框架剪力墙双重体系的理解说得很好，记录下来供各位参考：
地震作用下，当框架部分的设计层剪力不小于该层总剪力25%时作为双重体系，双重体系可认为具有很高的延性，即可以多折减设计地震力。
而当框架负担的水平力小于25%时，美国规范的对策是
（1）减小它的延性系数,即相对的提高设计地震力；
（2）并且要求只考虑剪力墙或筒体独立承担100%的剪力（框架部分还按计算比例,不用调整），此时认为结构只是单重体系。
由此可见方老师的说法与蔡、胡老师等，角度完全不同。
HiStruct认为方老师的说法好理解，也更合理。
赵西安老师的书上提到中国规范的0.2V0和1.5Vf,max双控是60-70年代提出的，当时主要是针对规则的结构体系，但是随着社会的发展，楼越来越高，体型越来越复杂，所以规范也跟着变化出现了分段调整的做法，并且这些内力调整的方法也在不断的探讨和更新。
静力分析表明，对于框架剪力墙的中部和上部而言，一般框架部分的分担力比较大（可以超过0.2甚至0.25的每层地震力），其实中部区域，框架一般会出现Vf,max，但是也不足以撼动剪力墙的主导地位，即框架还是须作为第二道防线之用，上部区域一般框架作用越来越大，所以框架很可能转为第一道防线，因此有观点认为此时框架（中上部）可不再调整了（比如建议用每层Vi来调整内力的观点，本质上就是不需要调中上部框架的内力），HiStruct认为要不要做内力调整还是需要根据结构的具体受力情况而定，如讨论[1]中所叙述的。
另，请大家注意的是，事实上很多的弹塑性时程分析都表明，尤其是超高层结构，受高阶振型的影响，顶部区域的核心筒或剪力墙通常是薄弱部位（由于设计墙厚等原因，很可能比底部更早屈服破坏），这也就是HiStruct一直在强调虽然顶部框架在静力计算下主导，但是也要适当提高设计内力的根本原因，因为此时框架并不会早于墙而破坏！
当然地震作用下的实际情况如何无法说清楚，不过做强剪力墙或者做强框架是必要的。
再往下看结构的下部区域，其实对于框架剪力墙的下部区域而言采用Vi和采用V0差别并不会很大，采用V0相对更保守一点。
HiStruct注：
这段时间连续发出几篇文章，希望能将框架剪力墙结构体系的认识和设计体会说得清楚一些。
新的抗震设计规范审查稿GB50011-20XX已经出来，从中可以发现变化之处有很多，HiStruct推荐各位好好读读，其中就包括了咱们一直有争议的框架剪力墙结构框架内力调整方法。
具体的新条文和说明如下：
6.2.13钢筋混凝土结构抗震计算时，尚应符合下列要求：
1.侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架-抗震墙结构和框架-核心筒结构，任一层框架部分按侧向刚度分配的地震剪力应乘以增大系数，其值不宜小于1.15且不应小于结构底部总地震剪力的20％和按框架–抗震墙结构、框架-核心筒结构侧向刚度分配的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。
…………
[说明]：
本条有两处修改，其一，关于普通的框架-抗震墙结构的剪力调整系数，其二，少墙框架的计算。
按照框剪结构多道防线的概念设计要求，墙体是第一道防线，设防烈度、罕遇地震下先于框架破坏，由于塑性内力重分布，框架部分按侧向刚度分配的剪力必须加大；即使按框架与抗震墙协同工作分析，结构上部1/3~1/2的楼层，框架部分按侧向刚度分配的楼层剪力可能大于墙体，也应考虑内力重分布适当增大。
我国80年代1/3比例的空间框剪结构模型反复荷载试验及试验模型的弹塑性分析表明：
保持楼层侧向位移协调的情况下，弹性阶段框架仅承担不到5%的总剪力；随着墙体开裂，框架承担的剪力逐步增大；当墙体端部的纵向钢筋开始受拉屈服时，框架承担大于20%总剪力；墙体压坏时框架承担大于33%的总剪力。
2001版的规定与89版的规定相同，多遇地震下弹性阶段20%的总剪力，当结构在罕遇地震下墙体损坏导致的墙体与框架之间地震剪力重分布，则框架承担的剪力远大于20%。
因此，继续保持2001版的规定是最低的要求，本次修订拟明确：
“任一层框架部分按侧向刚度分配的地震剪力应乘以增大系数”。
89版、2001版增大系数的规定，取较小值是为了避免仅有少量框架的框剪结构的框架调整系数过大，但当上部楼层按刚度分配大于总剪力20%时不需调整，没有体现多道防线，故拟增加按刚度分配的1.15倍考虑多道防线。
近来有一种意见，认为上部各层的框架部分只需承担不少于本层剪力的20%。
只在剪力墙结构体系中设置个别框架（仍作为剪力墙体系看待）的情况是合适的；对一般的框剪体系，则这种观点忽略了剪力墙与框架变形特征的不同和协同工作的计算结果，忽视了多道防线的要求，故不予采纳。
HiStruct解读：
首先，框架部分的最小剪力调整系数1.15
正如条文[说明]中所解释的一样，规范审查稿否定了那一种认为上部各层的框架部分只需承担不少于本层剪力的20%（25%），而不必再调整的意见，给出的解释是“没有体现多道防线”和“忽略了剪力墙与框架变形特征的不同和协同工作”。
HiStruct前面所分析的主要认为框剪结构中上部框架部分可能已经转为结构第一阶段的主要受力部分，并且由于高阶振型的影响（反应谱可能估算不足），上部的墙体也容易开裂，继续转移内力，还是需要强调框架后备作用，因此上部框架也必须调整。
因此同意审查稿的方法，从总体上对于外框架内力调整系数提出了下限值。
其次，89和2001规范此条规定的试验和理论结果
80年代1/3比例的空间框剪结构模型反复荷载试验及试验模型的弹塑性分析的结论是咱们国家89和2001规范的条文依据，这与美国UBC的结论稍有不同，但也近似。
并且近年来很多超高层的弹塑性分析表明，框架-核心筒结构按照弹性刚度分配，外框架底部实际上难以分担到很多剪力，一般5%-10%，甚至更低都有，但是随着核心筒的开裂损伤，底部外框架所承担的剪力迅速增加，当墙体端部的纵向钢筋开始受拉屈服时达到20%左右是完全有可能的，并且从大震下的破坏分析来看，外框架一般最晚开始屈服，且进入塑性的水平并不高，实际上合理的设计是可以起到二道防线的作用，当然前提就是刚度不足，要用强度来补，内力调整系数不应有上限！
STAWE设置2为上限的做法不合理。
第三，其他一些双重体系的内力调整规定
6.6.3板柱-抗震墙结构的抗震计算，应符合下列要求：
1.房屋高度大于24m时，抗震墙应承担结构的全部地震作用；房屋高度不大于24m时，抗震墙宜承担全部地震作用。
各层板柱和框架部分的地震剪力，除满足按侧向刚度分配值外，应能承担不少于本层地震作用（？
）的20%且不小于最大计算层剪力的1.2倍。
6.7.1框架-核心筒结构应符合下列要求：
2.除加强层及其相邻上下层外的任一楼层，框架按其侧向刚度分配的最大地震剪力，不宜
小于整个结构总地震剪力的15%（？
）。
8.2.3.3钢框架-支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算；框架部分按刚度分配计算得到的地震层剪力应乘以增大系数。
其值不小于1.15且不小于结构总地震剪力25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍的较小值。
[说明]：
本款修订依据多道防线的概念设计，框架-支撑体系中，支撑框架是第一道防线，在强烈地震中支撑先屈服，内力重分布使框架部分承担的地震剪力必需增大，二者之和应大于弹性计算的总剪力；如果调整的结果框架部分承担的地震剪力不适当增大，则不是“双重体系”而是按刚度分配的结构体系。
美国IBC规范中，这两种体系的延性折减系数是不同的，适用高度也不同。
日本在钢支撑-框架结构设计中，去掉支撑的纯框架按总剪力的40%设计，远大于25%总剪力。
因此，建议，即使框架部分按计算分配的剪力大于结构总剪力的25%，也至少按框架最大计算层剪力的1.15倍调整，以实现一定的二道防线。
近来，有一种意见认为，1997UBC规定双重体系的框架部分应至少承担底部总剪力的25%，2000IBC改为框架部分应至少承担设计力（designforces）的25%，且按刚度分配。
咨询美方来华专家的意见，认为设计力是指层剪力，因此建议本款改为框架部分只承担不小于本层地震剪力的25%。
这种意见忽略了多道防线的重要概念，也不符合纯框架与支撑框架二者变形协同工作的分析结果，对于大震下的结构是不安全的，故未采纳。
G2.3.2钢框架部分按刚度计算分配的地震剪力，不宜小于结构总地震剪力的12%（？
）。
[说明]：
本条规定了钢框架-钢筋混凝土核心筒结构体系设计中不同于混凝土结构、钢结构的一些基本要求：
1.近年来的试验和计算分析，对钢框架部分应承担的最小地震作用有些新的认识：
框架部分承担一定比例的地震作用是非常重要的，如果钢框架部分按计算分配的地震剪力过少，则混凝土墙体、筒体的受力状态和地震下的表现与普通钢筋混凝土结构几乎没有差别，甚至混凝土墙体更容易破坏。
清华大学土木系选择了一幢国内的钢框架-混凝土核心筒结构，变换其钢框架部分和混凝土核心筒的截面尺寸，并将它们进行不同组合，分析了共20个截面尺寸互不相同的结构方案，进行了在地震作用下的受力性能研究和比较，提出了钢框架部分剪力分担率的设计建议。
考虑钢框架-钢筋混凝土核心筒的总高度大于普通的钢筋混凝土框架-核心筒房屋，为给混凝土墙体楼有一定的安全储备，按钢框架分配的地震剪力乘以增大系数1.8后稍大于总地震剪力20%，则得到本条推荐的钢框架按刚度分配的最小地震作用。
G2.4.2钢框架部分除伸臂加强层及相邻楼层外的任一楼层按计算分配的地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数，且不小于结构总地震剪力的25%和最大楼层地震剪力1.8倍二者的较小值。
由地震作用产生的该楼层框架各构件的剪力、弯矩和轴力（？
）计算值均应进行相应调整。
[说明]：
本条规定了抗震计算中，不同于钢筋混凝土结构的要求：
1.混合结构的阻尼比，取决于混凝土结构和钢结构在总变形能中所占比例的大小。
采用振型分解反应谱法时，不同振型的阻尼比可能不同。
当简化估算时，可取0.045。
2.根据多道抗震防线的要求，钢框架部分应按其刚度承担一定比例的楼层地震力。
按美国IBC2006规定，凡在设计时考虑提供所需要的抵抗地震力的结构部件所组成的体系均为抗震结构体系。
其中，由剪力墙和框架组成的结构有以下三类：
①双重体系是“抗弯框架（momentframe）具有至少提供抵抗25%设计力（designforces）的能力，而总地震抗力由抗弯框架和剪力墙按其相对刚度的比例共同提供”；由中等抗弯框架和普通剪力墙组成的双重体系，其折减系数R=5.5，不许用于加速度大于0.20g的地区。
②在剪力墙-框架协同体系中，“每个楼层的地震力均由墙体和框架按其相对刚度的比例并考虑协同工作共同承担”；其折减系数也是R=5.5，但不许用于加速度大于0.13g的地区。
③当设计中不考虑框架部分承受地震力时，称为房屋框架（buildingframe）体系；对于普通剪力墙和建筑框架的体系，其折减系数R=5，不许用于加速度大于0.20g的地区。
关于双重体系中钢框架部分的剪力分担率要求，美国UBC85已经明确为“不少于所需侧向力的25%”，在UBC97是“应能独立承受至少25%的设计基底剪力”。
我国在2001抗震规范修订时，第8章多高层钢结构房屋的设计规定是“不小于钢框架部分最大楼层地震剪力的1.8倍和25%结构总地震剪力二者的较小值”。
因此，在保持规范延续性的基础上，本条拟规定调整后钢框架承担的剪力至少增加15%
HiStruct注：
由于结构体系的不同，抗震设计规范审查稿中，对于外框架（外支撑）提出了不同的内力条件系数和条件，但是HiStruct认为除了6.2.13条外，其中依然有些内力调整系数的用词和调整方法不统一，且有些控制调整系数的依据也不足。
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