高层建筑结构设计第七章-钢筋混凝土剪力墙设计

第七章钢筋混凝土剪力墙设计目录7.1延性剪力墙的抗震设计概念7.2墙肢设计7.3连梁设计7.1延性剪力墙的抗震设计概念剪力墙的特点刚度大，在风或者小震作用下变形小，容易满足层间位移角的限值及风作用下的舒适度要求承载能力大具有良好的延性和耗能能力与框架一起抗侧力的时候，剪力墙是第一道防线，框架是第二道防线剪力墙的类型a)实体墙b）联肢墙剪力墙的类型c)框支墙d）有边框墙剪力墙的类型e）井筒剪力墙抗震设计的原则1.强墙肢弱连梁•原理：连梁屈服先于墙肢屈服。使塑形变形和耗能分散于连梁中，避免因墙肢过早屈服从而使塑形变形集中在某一层，使这一层的变形过大形成倒塌机制。做法：在进行小震作用下的弹性内力计算时，通过折减连梁的抗弯刚度（最多50%）减小连梁的弯矩设计值，实现连梁屈服先于墙肢。2.强剪弱弯•原理：与框架的梁柱相同，剪力墙的连梁和墙肢破坏应为弯曲破坏，避免剪切破坏。做法：增大与弯矩设计值相对应的梁端剪力；对于剪力墙，通过增大底部加强部位截面组合的剪力计算值。剪力墙抗震设计的原则3.限制墙肢轴压比和墙肢设置约束边缘构件•原理：因为轴压比是影响墙肢抗震性能的主要因素之一。做法：在轴压比大于一定值的墙肢梁端设置约束边缘构件。4.设置底部加强部位•原理：在侧向力作用下变形曲线为弯曲和弯减型的剪力墙，其墙肢的塑性铰一般会在结构底部一定范围内形成。做法：有地下室的，加强高度从地下室顶板算起；对于框支剪力墙结构，取框支层加以上两层高度及落地剪力墙总高度的1/10二者的较大值，当房屋高度不大于24m时，取底部一层。（除了要提高底部的受剪承载力，还要加强其抗震构造措施，轴压比大于一定值时，墙肢两端设置约束边缘构件，以提高整体结构的抗震能力。）剪力墙抗震设计的原则5.连梁特殊措施•普通配筋的，跨高比小的连梁很难成为延性构件，对于抗震等级高的，跨高小的连梁采取特殊措施。使其成为延性构件。目录7.1延性剪力墙的抗震设计概念7.2墙肢设计7.3连梁设计7.2墙肢设计墙肢的破坏形式弯曲破坏弯剪破坏剪切破坏滑移破坏7.2.1内力设计值•墙肢的控制截面一般取墙底截面以及变墙厚、变砼等级、变配筋量的截面。控制截面的最不利组合内力或对其进行调整后的内力值，取法如下：一．抗震等级为一级的剪力墙的弯矩设计值•底部加强部位采用墙肢截面组合的弯矩设计值，不增大•底部加强部位以上，取墙肢组合的弯矩计算值乘以1.2，为了实现强剪弱弯，剪力设计值作相应调整。二．其他抗震等级和非抗震设计剪力墙的弯矩设计值•采用墙肢截面组合的弯矩设计值7.2.1内力设计值三．双肢剪力墙•双肢剪力墙的墙肢不宜出现小偏心受拉；当其中一个墙肢为小偏心受拉时，另一个墙肢的剪力设计值、弯矩设计值乘以1.25（原因：当一个墙肢出现水平裂缝时，刚度降低，由于内力重分布而剪力像无裂缝的另一个墙肢转移，使另一个墙肢的内力加大）四．抗震等级为一、二、三级的剪力墙墙肢底部加强部位的抗剪承载力WVWVV当为9度的一级抗震等级可不按a式调整，但应符合b式要求（a）（b）7.2.1内力设计值•V—底部加强部位墙肢截面剪力设计值；•Vw—底部加强部位墙肢截面最不利组合的剪力计算值；•Muwa—墙肢底部截面实配的抗震受弯承载力所对应的弯矩值；•Mw—墙肢底部截面最不利组合的弯矩计算值；•—墙肢剪力放大系数，一级为1.6，二级为1.4，三级为1.2。VW7.2.2墙肢偏心受压承载力的计算•剪力墙的墙肢在轴力和弯矩作用下的承载力计算与柱相似。区别在于墙肢除在端部配置竖向钢筋外，还在端部以外配置竖向分布钢筋，竖向分布钢筋参与抵抗弯矩，计算承载力的时候应包括部分受拉竖向分布钢筋的作用。•分布钢筋的直径一般比较小，容易压曲，为了简化计算。不考虑受压竖向分布钢筋的作用7.2.2墙肢偏心受压承载力的计算一．大偏心受压承载力计算1.大偏心受压破坏的概念：在极限状态下，墙肢截面的相对受压区高度不大于其相对界限受压区高度。即≤b2.基本假定：a)截面变形符合平截面假定b)不考虑受拉混凝土的作用c)受压区混凝土的应力图用等效矩形应力图替换scuybEf117.2.2墙肢偏心受压承载力的计算d)墙肢端部的竖向受拉、受压钢筋屈服e)从受压区边缘算起1.5x（x为等效矩形应力图受压区高度）范围以外的受拉竖向钢筋全部屈服并参与受力计算。1.5x以外的竖向分布钢筋未受拉屈服或为受压，不参与受力计算。3.截面计算•由上述假定，极限状态下矩形墙肢截面的应力图形如图7.2-1所示。根据轴力和弯矩平衡可建立方程。•对称配筋时，As=As’，由N=0计算等效矩形应力图受压区高度x图7.2-1墙肢大偏心受压截面应变和应力分布求得10c......(72)1.5swyws式中，系数，当混凝土等级不超过C50时，取1.0，当为C80时，取0.94，在之间时，按线性内插法取值。对受压区中心取弯矩，由M=0可得，忽略式中的项，化简后可得，100000M1.5......(73)2422s2x000M11......(73)2swwywswywswywxNabfhAfhAfhA上式第一项时竖向分布钢筋抵抗的弯矩第二项时端部钢筋抵抗的弯矩截面承载力验算要求：式中M——墙肢的弯矩设计值工程设计时，先给定竖向分布钢筋的截面面积，一般可按构造要求配置，由式（7-2b）计算x值，带入式（7-3b）中得，然后按照下式计算端部钢筋面积0......74swMMMswM0MswAswMsA0......(75)swswyMaMAfh不对称配筋时，As不等于As’,此时要先给定竖向分布钢筋Asw，并给定一端的端部钢筋面积As或As’，求另一端钢筋面积。由N=0得当已知受拉钢筋面积时，对受压钢筋重心取矩当已知受压钢筋面积时，对受拉钢筋重心取矩由式（7-7a）或式（7-7b）可求得x，再由式（7-6）求得另一端的端部钢筋面积。计算中，混凝土的受压高度应符合的条件，否则按计算。010cN1.5.......2wsswwyyywxxhffffbhAA（7-6）0100c031.5......77242swws010000c031.5......77242swws2xa2xa7.2.2墙肢偏心受压承载力的计算二．小偏心受压承载力的计算•截面大部分或全部受压，由于压应变较大的一端的混凝土达到极限压应变而丧失承载力。计算中不考虑受压区竖向分布钢筋的作用，受拉区的竖向分布钢筋未屈服，计算中不考虑其作用。所以，墙肢截面极限状态的应力分布与小偏心受压柱完全相同（见图7.2-2）承载力计算方法也相同。b图7.2-2墙肢小偏心受压截面应力分布根据轴力和弯矩平衡分别得：式中——轴向压力对截面重心的偏心距，=M/N——附加偏心距对称配筋且采用HPB300级和HRB335级热轧钢筋时，截面相对受压区高度值可用下述近似公式计算：1sc100c0N......78......782......782sswys0eae0e10c10c10c0......7920.430.8bwwb由式（7-7b）和式（7-8），可得非对称配筋时，可先按端部构造配筋要求给定As，然后由式（7-9）和式（7-8b）求解相对受压区高度和As’.如果，为全截面受压，取x=hw，As’.可由下式计算得到：竖向分布钢筋按照构造要求设置。小偏心受压时，还要验算墙肢平面外的稳定。这时可按轴心受压构件计算。10c0210.5......710wwsswyNeAAafbhfh0wwhh10c02......7117.2.3墙肢偏心受拉承载力计算•当M/Nhw/2-a时，为大偏心受拉，墙肢截面大部分受拉、小部分受压。依然假定距受压区边缘1.5x范围以外的受拉分布钢筋屈服并参与工作。截面应力分布提醒如图7.2-3所示图7.2-3墙肢大偏心受拉截面应力分布矩形截面对称配筋时，受压区高度x可由下式确定：与大偏压承载力公式类似，可得竖向分布钢筋抵抗的弯矩：端部钢筋抵抗的弯矩为：与大偏压相同，先给定竖向分布钢筋面积Asw。为保证截面有受压区，即要求x0,由式（7-12）可得竖向分布钢筋面积10c......7121.5swyws0011......7132swyws00......714swyMafhA......715swywNAf同时，分布钢筋应满足最小配筋率要求。在两者之间选择较大的Asw，然后按下式计算端部钢筋面积：当M/Nhw/2-a时，全截面受拉，属于小偏心受拉。抗震和非抗震设计的剪力墙的墙肢偏心受压和偏心受拉承载力的计算公式相同。抗震设计时，承载力计算公式应除以承载力抗震调整系数,偏心受压、受拉时都取0.85。此外，在计算受压区高度x和计算分布钢筋抵抗矩Msw的时候，N要乘以0......716swswyMMaAfhRERE7.2.4墙肢斜截面受剪承载力计算一．墙肢斜截面剪切破坏形态①剪拉破坏。当无腹部钢筋或腹部钢筋过少，斜裂缝一旦出现，很快会形成一条主裂缝，使构件劈裂而丧失承载能力。避免这类破坏的主要措施是配置必需的腹部钢筋。②斜压破坏。当剪力墙截面过小或混凝土强度等级选择不恰当时，截面剪应力过高，腹板中较早出现斜裂缝。尽管按照计算需要可以配置许多腹部钢筋，但过多的腹部钢筋并不能充分发挥作用，钢筋应力较小时，混凝土就被剪压破碎了。这种破坏只能用加大构件截面或提高混凝土等级来防止，在设计中则从限制截面的剪压比体现这一要求。③剪压破坏。当配置足够的腹部钢筋时，腹部钢筋可抵抗斜裂缝的开展。随着裂缝逐步扩大，混凝土受剪的区域减小，最后在压应力及剪应力的共同作用下混凝土破碎而丧失承载能力。剪力墙抗剪腹筋计算主要是建立在这种破坏形态的基础上的。二．偏心受压斜截面受剪承载力•持久、短暂设计状况下•地震设计状况下001(0.50.13)......(717)0.5wshtwwyhwAAVfbhNfhaAs0011(0.40.1)0.8......7170.5wshtwwyhwREAAVfbhNfhbAs式中bw、bw0——分别为墙肢截面腹板厚度和有效厚度；A、Aw——分别为墙肢全截面面积和墙肢的腹板面积；矩形截面Aw=AN——墙肢的轴向压力设计值，抗震设计的时候，应考虑地震作用效应组合，当N大于0.2fcbwhw时，取为0.2fcbwhw；fyh——横向分布钢筋抗拉强度设计值；s、Ash——分别为横向分布钢筋间距及配置在同一截面内的横向钢筋面积之和——计算截面的剪跨比，当1.5时取1.5，当大于2.2时取2.2，当计算截面与墙肢截面之间的距离＜0.5hw0时，取距离墙肢底截面0.5hw的值。三．偏心受拉斜截面受剪承载力•大偏拉时，墙肢截面还有部分受压区，混凝土仍可抗剪，但轴向拉力对抗剪不利。验算公式如下：•持久、短暂设计状况下001(0.50.13).