第5章_高层建筑结构设计_剪力墙结构设计

高层建筑结构设计盐城工学院第5章剪力墙结构设计本章内容剪力墙结构概念设计剪力墙结构内力和侧移的简化近似计算剪力墙结构内力和侧移的计算机计算剪力墙结构截面设计剪力墙结构构造5.1剪力墙结构概念设计水平荷载作用下的变形特征与其高宽比之间的关系：H/bw＞2（高墙），弯曲型变形；1≤H/bw≤2（中高墙），弯曲型变形与剪切型变形；H/bw1(矮墙)，剪切型变形。剪力墙是一种抵抗侧向力的结构单元，在水平荷载作用下，截面抗剪问题较为突出，它主要适用于有小房间设计要求的高层住宅、公寓和旅馆建筑。一.剪力墙结构的受力变形特点1.水平荷载作用下的受力变形特点平面剪力墙的变形特征：弯矩作用下产生的“弯曲型变形”，与剪力作用下产生的“剪切型变形”之间的叠加。5.1剪力墙结构概念设计水平荷载作用下，剪力墙主要是受弯工作状态，由受弯承载力决定破坏状态。2.剪力墙的破坏悬臂剪力墙的破坏5.1剪力墙结构概念设计二.剪力墙的结构布布置1.高宽比限制钢筋混凝土高层剪力墙结构的最大适用高宽及高宽比应满足水平荷载作用下的整体抗倾覆稳定性要求。Ａ级高层剪力墙的最大适用高度B级高层剪力墙的最大适用高度Ａ级和Ｂ级高度钢筋混凝土剪力墙的高宽比限值5.1剪力墙结构概念设计2.结构平面布置(1)不同形式的建筑平面应采用不同形式的剪力墙，且在抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式。(2)剪力墙结构的侧向刚度不宜过大，宜自下到上连续布置。(3)剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。抗震设计时，一、二、三级抗震等级剪力墙的底部和加强部位不宜采用错洞墙；全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。(4)同一轴线上的连续剪力墙过长时，应该用楼板或细弱的连梁分成若干个墙段，每一个墙段的高宽比应不宜小于３，每一墙肢的宽度不宜大于８ｍ。(5)剪力墙结构中，剪力墙数量不宜太多，且一般采用大开间剪力墙（间距为6.0～7.2ｍ）。5.1剪力墙结构概念设计(6)剪力墙墙肢截面宜简单、规则。抗震设计时，短肢剪力墙的设计应符合下列要求：①一、二、三级短肢剪力墙的轴压比，在底部加强部位分别不宜大于0.45、0.50、0.55;在底部加强部位以上的其他部位不宜大于上述规定值加0.05。②除底部加强部位的短肢剪力墙应按《高规》第7.2.9条调整剪力设计值外，其他各层一、二级短肢剪力墙的剪力设计值应分别乘以增大系数1.4和1.2。③短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.0%，其他部位不宜小于0.8%。④短肢剪力墙截面厚度除应符合《高规》第7.2.1条的要求外，尚不应小于180mm。⑤短肢剪力墙边缘构件的设置应符合《高规》第7.2.14条的要求。5.1剪力墙结构概念设计判断剪力墙结构合理刚度可以由结构基本自振周期来考虑，宜使剪力墙结构的基本自振周期控制在：(0.05～0.06)Nｓ（Nｓ为层数）。当周期过短、地震力过大时，宜对结构刚度加以调整。调整结构刚度的方法有：①适当减小剪力墙的厚度；②降低连梁高度；③增大门窗洞口宽度；④对较长的墙肢设置施工洞，分为两个墙肢。墙肢长度超过８ｍ时，一般都应由施工洞口划分为小墙肢。5.1剪力墙结构概念设计3.结构竖向布置(1)普通剪力墙结构的剪力墙应在整个建筑竖向连续。(2)一般情况下剪力墙厚度宜两侧同时内收，外墙可以只在内侧单面内收，而电梯井可以只在外侧单面内收。(3)剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。成列开洞的规则剪力墙传力直接，受力明确，地震中不易因为复杂应力而产生震害错洞墙洞口上、下不对齐，受力复杂，洞口边容易产生显著的应力集中，因而配筋量增大，而且地震中常发生震害。5.1剪力墙结构概念设计(4)剪力墙相邻洞口之间以及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。试验表明：墙肢宽度与厚度之比小于３小墙肢在反复荷载作用下，比大墙肢早开裂、早破坏。在设计剪力墙时，墙肢宽度不宜小于３bｗ（bｗ为墙厚）,且不应小于500mm。5.1剪力墙结构概念设计(5)采用刀把形剪力墙会使剪力墙受力复杂，应力局部集中，而且竖向地震作用会产生较大的影响，宜十分慎重。刀把形剪力墙•部分框支剪力墙结构的剪力墙，可取框支层加框支层以上两层的高度及落地剪力墙总高度的1/10二者的较大值；(6)剪力墙底部加强部位的高度的取值：•抗震设计时，应从地下室顶板算起；•其他结构的剪力墙，可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值；5.1剪力墙结构概念设计三.剪力墙最小厚度及材料强度选定1.剪力墙材料选择剪力墙结构混凝土强度等级不应低于C20；带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。2.剪力墙的最小截面尺寸要求(1)按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于200mm；其他部位不应小于160mm。(2)按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于160mm；部位不应小于160mm。(3)非抗震设计的剪力墙截面厚度不应小于160mm。(4)剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160mm。5.1剪力墙结构概念设计(1)剪力墙结构中剪力墙的平面布置必须使结构质心和刚心尽可能接近，且在抗震设计时，应使结构在两个主轴方向的抗侧刚度及振动性能相接近。(2)剪力墙的数量应能保证在抗震设计时，剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不小于结构总底部地震倾覆力矩的50%，并能满足高层建筑结构顶点水平侧移限值和房间相对侧移限值的要求。(3)剪力墙墙肢截面高度不宜大于8m；较长的剪力墙宜设置连梁跨高比不小于６的洞口，将一道剪力墙分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高宽比不宜小于３。(4)抗震设计时，应对底部加强部位以及各层短肢剪力墙的剪力设计值进行调整。四.剪力墙设计计算要点和程序框图1.剪力墙设计要点如下：5.1剪力墙结构概念设计(5)楼面梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁上。当剪力墙或核心筒墙肢与其平面外相交的楼面梁刚接时，相关的措施应符合如下规定：①设置沿楼面梁轴线方向与梁相连的剪力墙时，墙的厚度不宜小于梁的宽度；②设置扶壁柱时，其宽度不应小于梁宽，墙厚可计入扶壁柱的截面高度；③墙内设置暗柱时，暗柱的截面高度可取墙的厚度，暗柱的截面宽度不应小于梁宽、不宜大于墙厚的４倍；④应通过计算确定暗柱或扶壁柱的竖向钢筋（或型钢），竖向钢筋的总配筋率应符合有关要求；⑤楼面梁的水平钢筋应伸入剪力墙或扶壁柱，深入长度应符合钢筋锚固要求；⑥暗柱或扶壁柱应设置箍筋，箍筋应符合柱箍箍筋的构造要求。5.1剪力墙结构概念设计2.剪力墙结构设计计算程序框图5.2内力和位移的近似计算一.基本假定剪力墙结构由竖向承重墙体和水平楼板及连梁构成，整体性好。剪力墙的内力和侧移计算可简化为竖向荷载作用下的计算以及水平荷载作用下平面剪力墙的计算。(1)竖向荷载在纵横向剪力墙平均按45°刚性角传力;(2)每片墙体结构仅在其自身平面内提供抗侧刚度,在平面外的刚度可忽略不计;(3)平面楼盖在其自身平面内刚度无限大;(4)剪力墙结构在使用荷载作用下构件材料均处于线弹性阶段。基本假定：5.2内力和位移的近似计算二.竖向荷载作用下的内力计算1.各片墙的竖向荷载可按照它的受荷面积计算。2.竖向荷载除了在连梁内产生弯矩外，在墙肢内主要是产生轴向力。3.当横墙和纵墙整体联结时，在楼板以下一定距离以外，可以认为竖向荷载在两方向墙内均匀分布。竖向荷载传力特征楼板中有大梁，传到墙上的集中荷载可按45°扩散角向下扩散到整个墙截面。而对于其他情况，可按分布荷载计算集中力对墙面的影响。5.2内力和位移的近似计算三.基本假水平荷载作用下的计算单元和计算简图剪力墙结构是空间板盒式结构，根据平面结构基本假定，可按纵、横两方向墙体分别按平面结构进行分析，可以简化水平荷载下的荷载效应计算。剪力墙翼缘剪力墙翼缘宽度示意图剪力墙翼缘宽度当简化为平面结构计算时，可以把与它正交的另一方向墙作为翼缘。在y向水平荷载作用下，主要由横向墙体提供抗侧刚度，此时的简化计算可按上图所示划分剪力墙。剪力墙单元5.2内力和位移的近似计算四.水平荷载的分配各片剪力墙是通过刚性楼板联系在一起的。当结构的水平力合力中心与结构刚度中心重合时，结构不会产生扭转，各片剪力墙在同一层楼板标高处的侧移将相等。因此，总水平荷载将按各片剪力墙的刚度大小向各片墙分配。当有m片墙时，第i片墙第j层分配到的剪力：mieqiipjiijJEVEV1式中，Vij——由水平荷载产生的第j层总剪力；EiJeqi——第I片墙的等效抗弯刚度。5.2内力和位移的近似计算五.平面剪力墙分类及受力特点当剪力墙结构中的洞口为矩形且其位置接近横向尺度中部时，根据洞口的大小（常用洞口系数ρ来表示）可将剪力墙划分为不同的类型，且每种类型有不同的力学特性。洞口系数ρ：%100墙面不计洞口的总面积墙面洞口面积不管是哪一类墙，一般均应考虑弯、剪、轴三种变形影响。凡墙面不开洞或开洞面积较小（洞口系数小于15%），且孔洞间净距及洞边至墙边的净距大于洞口长边尺寸时,可以忽略洞口的影响，作为整体墙来考虑，平面假定仍然适用。因而截面应力可按材料力学公式计算。变形属于弯曲型整体墙整体墙小开口整体墙变形基本上属于弯曲型变形当洞口较大（洞口系数在１５％～３０％）时，平面假定得到的应力应加以修正，此时可用平面假定得到的应力加上修正应力即可。小开口整体墙联肢剪力墙变形已由弯曲型逐渐向剪切型过渡如果洞口面积更大（洞口系数在30%～50%），不能用平面假定得到的整体应力加上修正应力来解决，而必须借助于对墙肢微分方程的求解。但是它计算的结果既符合于这里大开洞的情况，也可适用于小开口墙的情况。联肢剪力墙壁式框架变形曲线已接近剪切型当洞口尺寸甚大（洞口系数大于50%），其受力情况已接近于框架。只不过在梁柱交接区形成不产生弹性变形的刚域，这样梁柱端部一定长度内都属于这个刚域范围。壁式框架5.2内力和位移的近似计算六.整体墙的内力和位移计算1.整体墙的等效简化处理方法在计算位移时，要考虑洞口对水平截面面积及刚度的削弱：整体墙等效截面面积Aｑ：AAq000/25.11AAd洞口削弱系数γ０：)/()(11njjnjjjqhhJJ等效惯性矩Jｑ：式中A—剪力墙截面毛面积；Aｄ—剪力墙洞口总面积；Jj—竖向各段的截面惯性矩；hj—各段相应高度；5.2内力和位移的近似计算2.整体墙顶点侧移计算在三种常用水平荷载作用下，顶点位移计算公式如下：qqqeqAHJEJEJ2/91式中V０—墙底部截面总剪力；μ—切应力不均匀系数；EJeq—等效抗弯刚度，其值)31(31)41(81)64.31(6011230230230qqqqqqqqqGAHEJEJHVGAHEJEJHVGAHEJEJHV(倒三角形分布荷载)(均布荷载)(顶部集中荷载)5.2内力和位移的近似计算七.小开口整体墙的内力与位移计1.小开口整体墙的内力特点小开口整体墙受力特点（1）小开口整体墙的受力特点小开口整体墙的内力具有如下特点：截面正应力基本上是直线分布，产生局部弯曲应力的局部弯矩不超过总弯矩的15%。即墙肢的弯矩Mｊ可写成:(1)iiijJJMJJMM)1(式中M——外荷载产生的总弯矩；Ji——为第i墙肢的惯性矩；J——对组合截面形心的组合截面惯性矩；γ——整体弯矩系数，其值为0.85~1.15之间。从整体来看，剪力墙类似于一个竖向悬臂构件，它的内力和位移，可以近似地按材料力学的方法组合截面计算，而只需进行局部的修正。在大部分楼层上，墙肢不应有反弯点(2)小开口整体墙受力特点（2）5.2内力和位移的近似计算2.小开口整体墙整体系数计算联肢墙整体系数α：)//231(1iiiiiJJAANSZ其中Z、Zi与α及层数n有关。当各墙肢及连梁都比较均匀时，可查附表8.30得Z值，当各墙肢相差较大时可据附表8.31先查得S值，按下式计算第i个墙肢的Zi值：AobkiikiiJJacJJJhHJThcJHbi322111