框筒结构剪力滞后分析

框筒结构剪力滞后分析

摘要：对框筒结构剪力滞后效应的研究是充分理解框筒结构的工作性能, 优化结构设计所必需的。通过对剪力滞后效应的特点进行分析找出影响因素，然后根据分析的结论再设计时候采取措施减小剪力滞后对框筒结构的影响。

关键词：框通结构剪力滞后角柱

1、框筒结构的剪力滞后现象

框筒结构在水平荷载作用下, 截面变形不再符合初等梁理论的平截面假定, 腹板和翼缘的正应力不像传统的受弯构件的直线分布, 而是曲线分布, 这个现象就是框筒结构中的剪力滞后效应。框筒形成空间框架作用，其中角柱产生三维应力，是形成框筒结构空间作用的重要构件;各层楼板形成隔板，它们保持框筒平面形状在水平荷载作用下不改变，楼板也是形成框筒空间作用的重要构件。剪力滞后存在着两种不同的形式, 一种是正剪力滞后,另一种是负剪力滞后( 图1)。正剪力滞后一般出现在框筒结构的中下部, 而负剪力滞后出现在框筒结构的中上部。

2、剪力滞后效应内力分析

与水平力方向平行的腹板框架一端受拉，另一端受压。翼缘框架受力是通过与腹板框架相交的角柱传递过来的角柱受压力缩短，使与它相邻的裙梁承受剪力(受弯)，同时相邻柱承受轴力第二根柱子受压又使第二跨裙梁受剪(受弯)，相邻柱又承受轴力，如此传递，使翼缘框架的裙梁、柱都承受其平面内的弯矩、剪力与轴力(与水平作用方向相垂直)由于梁的变形，使翼缘框架各柱压缩变形向中心逐渐递减，轴力也逐渐减小;同时，受拉的翼缘

框架也产生轴向拉力的剪力滞后效应腹板框架的剪力滞后现象也是由于裙梁的变形造成的，使角柱的轴力增大。

由于翼缘框架各柱和窗裙梁的内力是由角柱传来，其内力和变形都在翼缘框架平面内，腹板框架的内力和变形也在它的平面内，这是框筒在水平荷载作用下内力分布形成“筒”的空间特性。通常，在框筒结构中要尽量减少框筒柱平面外的弯矩和剪力，使框筒受力和传力更加明确直接，除角柱外，其他柱子主要是单向受压弯，受力性能较好。

3、变形特征

框筒结构的变形由两部分组成。腹板框架主要是梁柱弯曲及剪切变形，一般是下部大、上部小；主要由于柱轴向变形抵抗力矩，翼缘框架的拉、压轴向变形使翼缘框架呈剪切型。作为一个整体的框筒结构总变形综合了弯曲和剪切变形，但大多数情况下框筒总变形仍略偏向于剪切型。

楼板不仅必须满足承受竖向荷载的要求，而且楼板是保证框筒空间作用的一个重要构件，楼板的跨度及布置方式必须满足这两方面的要求。由于框筒各柱承受的轴力不同，轴向变形也不同，角柱轴力及轴向变形大(拉伸或压缩)，而中部柱子轴力及轴向变形小。

4、角柱对剪力滞后效应的影响

去除角柱对翼缘各柱轴力影响不大。角柱的应力由腹板向内的第二根柱子承受，腹板、其余柱子及翼缘各柱的轴力相继提高。角柱轴向刚度越小, 则角柱轴向变形越大,框筒空间工作性能越好; 角柱在结构下部产生了较大的正剪切滞后, 在结构的上部也产生了较大的负剪力滞后,因此建议在上部取消角柱。但是，去除角柱没有起到减小剪力滞后的作用，反

而会使结构的整体性及抗扭刚度降低，同时各层楼板由于没有了角柱的约束变形增大，这对结构是不利的。

在侧向荷载作用下, 角柱轴力随着角柱刚度的增大迅速增大, 而其它柱轴力则有下降的趋势, 角柱刚度的加大, 增加了正剪力滞后和负剪力滞后效应。角柱截面的变化只对其自身轴力影响较大，而对中柱(除腹板与角柱临近的中柱变化较大外)影响较小；由于角柱在结构中起到重要作用(它不仅能增强结构的整体性，使楼板的变形受到很大的约束，而且截面较大可减小压缩变形)，因此在结构设计时可以适当增大角柱的截面尺寸。

5、减弱剪力滞后效应的措施

(1)梁的剪切刚度与柱的轴向刚度之比愈小，剪力滞后愈大。由于框架不是实截面梁，竖向力由角柱向中间柱传递需要通过梁的剪切来实现，梁的剪切刚度愈小，剪切滞后愈严重。因此框架结构宜用截面较高的窗裙梁、密排的柱。

(2)当高宽比很小时，整体的弯曲作用不大，水平荷载主要由平行于荷载的腹板框架承受，翼缘框架的轴力很小，担负的弯矩小。一般说框架的高宽比不小于3时，空间作用才显著。

(3)框架的长宽比，长宽比愈大，剪力滞后愈大，结构的整体性愈差。所以，矩形框架的长宽比不宜太大，首选长宽比为1，一般长宽比不大于2。

(4)角柱面积:角柱面积愈大，轴力也显著增大，其相邻柱子轴力也相应增大，剪力滞后效应增强，因此角柱面积不应过大。

(5)结构高度:剪力滞后现象沿结构高度是变化的，底部相对严重些，中部以上逐渐减弱，接近顶部通常还会出现负剪力滞后现象，因此框筒结构要达到一定的高度，才能充分发挥框筒结构的作用，高度小的框筒结构受剪力滞后影响相对较大。

(6)框筒结构的平面布置形状:这是产生剪力滞后效应的另一个重要因素。翼缘框架愈长，剪力滞后效应愈大，框架中部的柱子受轴力会愈小，因此框筒平面布置尺寸过大或长方形平面都是不利的，正方形、圆形、正多边形是框筒结构比较理想的平面形状。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开