第5章 剪力墙结构设计

5.1概述5.2整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算5.3联肢剪力墙的计算5.4壁式框架的计算5.5剪力墙结构的分类5.6剪力墙的截面设计5.7剪力墙轴压比限值及边缘构件配筋要求5.8短肢剪力墙的设计要求5.9剪力墙设计的构造要求5.10连梁截面设计及配筋构造第5章剪力墙结构设计5.1概述5.1.1剪力墙结构的特点剪力墙是纵横两个方向均由钢筋混凝土墙组成的空间结构体系。除了承受楼板的竖向荷载外，还要承受风荷载、水平地震作用等水平作用。（1）抗侧刚度大，水平荷载作用下侧移较小；（2）承载力比较大，抗震性能好。Hδδjδi剪力墙侧移曲线δj﹥δi1.布置原则剪力墙应尽量布置得比较规则，拉通、对直。剪力墙宜自下到上连续布置，不宜突然取消或中断，避免刚度突变。墙不宜布置得太密，结构的侧向刚度不宜过大。剪力墙结构应具有较好的延性。2.特点平面内刚度及承载力大，平面外刚度及承载力相对很小。5.1.2剪力墙结构的布置5.1.3剪力墙分类及判别方法剪力墙分类一（按墙肢长度）1.一般剪力墙（墙肢截面高度与墙厚之比大于8）2.短肢剪力墙（墙肢截面高度与墙厚之比为4～8）剪力墙分类二（按是否开洞、开洞大小）1.整体剪力墙2.整体小开口剪力墙3.联肢剪力墙（双肢及多肢）4.壁式框架按整体参数、墙肢惯性矩比值对剪力墙类型的判别方法（1）整体剪力墙及其受力特点不开洞的剪力墙或开洞面积不超过墙体面积的16%，且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于洞孔长边尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这种墙体称为整体剪力墙。整体剪力墙的受力状态如同竖向悬臂墙，截面变形后仍符合平面假定，因而截面应力可按材料力学公式计算。变形以弯曲型为主。（2）整体小开口剪力墙及其受力特点洞口面积稍大、超过墙体面积的16%时，通过洞口的正应力分布已不再成一直线，而是在洞口两侧的部分横截面上，其正应力分布各成一直线。除了整个墙截面产生整体弯曲变形外，每个墙肢还出现局部弯曲变形，在各墻肢产生相应的整体弯曲应力和局部弯曲应力。由于洞口还不是很大，局部弯曲变形不超过整体弯曲变形的15％。因此，可以认为剪力墙截面变形大体上仍符合平面假定，且大部分楼层上墙肢没有反弯点。内力和变形仍按材料力学计算，然后适当修正。（3）联肢剪力墙及其受力特点洞口开得比较大，截面的整体性已经破坏，横截面上正应力分布和截面变形已不再符合平截面假设。墙肢的线刚度比连梁的线刚度大得多，每根连梁中部有反弯点，各墙肢单独弯曲作用较为显著，仅在个别或少数层内出现反弯点。这种剪力墙可视为由连梁把墙肢联结起来的结构体系，故称为联肢剪力墙。（4）壁式框架及其受力特点洞口开得比联肢剪力墙更宽，墙肢宽度较小，墙肢与连梁线刚度接近时，墙肢明显出现局部弯矩，在许多楼层内有反弯点。剪力墙的内力分布接近框架，故称壁式框架。壁式框架实质是介于剪力墙和框架之间的一种过渡形式，它的变形已很接近剪切型，只不过壁柱和壁梁都较宽，因而在梁柱交接区形成不产生变形的刚域。5.5剪力墙类型的判别方法利用两个参数1.整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的相对关系2.墙肢惯性矩比值IA/I111226kiikiiIhDH判别准则（1）当α＜1时，忽略连梁对墻肢的约束作用，各墻肢按独立墻肢分别计算；（2）当1≤α＜10，且IA/I≤Z时，可按联肢墙计算；（3）当α≥10，且IA/I≤Z时，可按整体小开口墙计算；（4）当α≥10，且IA/I＞Z时，按壁式框架计算；（5）当无洞口或有洞口且洞口面积小于墙总立面的16%时，按整体墙计算；1.材料力学分析法对于整体墙，在水平力作用下截面仍保持平面，法向应力呈线性分布，可采用材料力学中有关公式计算内力及变形。2.连续化方法将每一楼层的连梁假想为在层高内均布的一系列连续连杆，由连杆的位移协调条件建立墙的内力微分方程，从中求解出外力。3.壁式框架分析法将开有较大洞口的剪力墙视为带刚域的框架，用D值法进行求解，也可以用位移法借助计算机进行求解。4.有限元法和有限条法将剪力墙结构进行等效连续化处理后，取条带进行计算。5.1.4剪力墙的分析方法剪力墙结构在竖向荷载下的内力计算方法力传递路线(各剪力墙按它的负荷面积计算荷载)楼板墙（除连梁内产生弯矩外,墙肢主要受轴力）剪力墙的内力计算方法每片剪力墙作为竖向悬臂构件，按材料力学方法计算。荷载等效地化为作用于剪力墙形心轴处的轴向力N和弯矩M整截面剪力墙：所受的轴向力N小开口整体剪力墙：轴向力N按各墙肢截面面积分配，弯矩一般较小，近似计算常忽略其影响联肢剪力墙：同小开口整体剪力墙壁式框架：同普通框架（分层法）剪力墙结构在水平荷载下的内力和位移计算方法基本假定1.不同方向的剪力墙分别作为平面结构处理2.楼板刚度无穷大，每一方向的各榀剪力墙按等效刚度分配水平荷载各榀剪力墙的内力和位移计算方法1.整截面剪力墙：材料力学方法2.整体小开口剪力墙：材料力学方法（修正）3.联肢剪力墙：连续化近似方法4.壁式框架：D值法考虑小洞口的折算截面面积和等效惯性矩顶点位移（考虑剪切变形影响）iiqiqhhII∑∑=..........).........3+1(31............).........4+1(81......).........64.3+1(6011=230230230（顶部集中力）（均布荷载）（倒三角荷载）qqqqqqqqqGAHEIEIHVGAHEIEIHVGAHEIEIHV(5.4)(5.3)(5.1)5.2整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算整体剪力墙计算()AAAAfqop1.25-1=顶点位移（换算成弯曲变形形式）等效刚度EIeq（顶部集中力）（均布荷载）（倒三角荷载）...................31.....................81...............6011303030eqeqeqEIHVEIHVEIHVqqqeqAHIEIEI291(5.6)(5.7)整体小开口剪力墙计算内力计算：总弯矩分为两部分，计算墙肢弯矩、轴力和剪力第i墙肢弯矩第i墙肢轴力第i墙肢剪力个别细小墙肢弯矩顶点位移：将材料力学公式计算出的侧移放大1.2倍即可。iipzipzziIIMIIMM15.085.0iipziyAIMN85.0pziiiiziVIIAAV)(21200hVMMzizizi(5.14)(5.16)(5.15)(5.17)5.3联肢剪力墙的计算（连续化方法）基本假设：1.连梁的反弯点在跨中，每一楼层处的连梁可以离散为均布在整个层高范围内的连续化连杆；2.各墙肢的变形曲线相似，水平位移相等（不考虑连梁的轴向变形）；3.连梁和墙肢考虑弯曲和剪切变形，墙肢还应考虑轴向变形。双肢剪力墙计算基本思路：采用力法来进行结构的计算，沿着连梁中点将结构切开，切开后结构为静定结构，根据假定1（反弯点在中点），切开后连杆弯矩为0。连杆有剪力τ（x）与轴力δ（x）,根据假定2，由于δ（x）与求解无关，不必求解。因此我们不必考虑。由切开处的变形连续条件可建立τ（x）的微分方程，求解微分方程可得到连杆剪力τ（x）。将一个楼层高度范围内的各点剪力积分，还原成一根连梁中的剪力，然后可求出所有墙肢和连梁的内力。力法方程的建立1、将连杆在中点切开，由于连梁中点是反弯点，切口处弯矩为零，只有剪应力和正应力。0321xxx2、连杆切口处沿剪力τ(x)方向的变形连续条件：（顶部集中力）均布荷载倒三角荷载............................)........(....................).(].........)1(1[)()(022102212022122''VHHxVHHxVHxmHxm()2()mxcxDIhHi22162031GaAEIIIbbbb320acIDbhcsDH2212321212AAAcAs(5.36)3、引入平衡条件与力——变形关系，得到双肢墙的基本微分方程：为连梁剪力对两墙肢中心约束弯矩之和为连梁的刚度系数为考虑了墙肢轴向变形的整体系数为连梁、墻肢刚度比为连梁的折算惯性矩（矩形截面）207.01ahIIbbb力法方程的求解代换：化简方程为：方程通解为特解为引入边界条件：墙顶弯矩为零，墙底转角为零得到方程的解)()(21shcchc（顶部集中力）（均布荷载）（倒三角荷载）..............................................1........................................................................2)1(122022'dxydmm0mhx2210)()(Vxxm（顶部集中力）（均布荷载）（倒三角荷载）.....................................].......)1(1[)()(22222''(5.39)(5.40)双肢剪力墙的内力计算i层连梁约束弯矩i层连梁的剪力i层连梁端部弯矩i层以上墙肢弯矩i层以上墙肢轴力i层以上墙肢剪力chmVibi2)(0aVMbibiiiiiMIIIMMIIIM21222111nijjpiimMMnijbjiVN(5.50)(5.48)(5.49)hmmii)((5.47)(5.51)(5.52)20121hGAEIIIiiiipiipiiVIIIMVIIIV02010220201011V2i双肢剪力墙的位移计算顶点位移（换算成弯曲变形形式）（顶部集中力）（均布荷载）（倒三角荷载）...................31.....................81...............6011303030eqeqeqEIHVEIHVEIHVu]3)1/[(]4)1/[(]64.3)1/[(212121iiieqIEIEIEEI2122122IIcscsiiiAGHIE22(5.62)(5.63)式中，τ为墻肢轴向变形影响系数，γ2为剪切变形影响系数：等效抗弯刚度EIeq5.4壁式框架的计算壁式框架的特点：1.壁式框架带刚域2.截面较宽，剪切变形影响不容忽视壁式框架刚域长度壁式框架计算方法多肢剪力墙计算（同前）壁式框架中带刚域杆件的刚度带刚域杆件的梁端约束弯矩系数可以由结构力学的方法计算到：与普通杆件的梁端约束弯矩系数相比较，即可知道带刚域杆件的刚度为：cibalbaEImi6)1()1()1(6312icbalbaEImi'3216)1()1()1(62'12GAlEIi1'1ick22cikicckc2'(5.82)(5.83)壁梁壁柱壁式框架中壁柱的抗侧刚度D抗侧刚度计算式212hKDcc壁式框架中反弯点高度的修正3210yyysyay壁式框架位移计算梁柱弯曲变形产生的侧移:层间位移顶点位移DVuiiDVuuiiM5.5剪力墙类型的判别方法利用两个参数1.整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的相对关系2.墙肢惯性矩比值IA/I111226kiikiiIhDH判别准则（1）当α＜1时，忽略连梁对墻肢的约束作用，各墻肢按独立墻肢分别计算；（2）当1≤α＜10，且IA/I≤Z时，可按联肢墙计算；（3）当α≥10，且IA/I≤Z时，可按整体小开口墙计算；（4）当α≥10，且IA/I＞Z时，按壁式框架计算；（5）当无洞口或有洞口且洞口面积小于墙总立面的16%