剪力墙结构设计

本章主要内容：5.1概述结构布置剪力墙的分类剪力墙的分析方法5.2整体剪力墙和整体小开口剪力墙的计算整体剪力墙的计算整体小开口剪力墙的计算5.3联肢剪力墙的计算双肢剪力墙的计算多肢墙的计算5.4壁式框架的计算计算简图内力计算位移的计算5.5剪力墙结构的分类按整体参数分类按剪力墙墙肢惯性矩的比值剪力墙类别的判定5.6剪力墙截面的设计墙肢正截面抗弯承载力墙肢斜截面抗剪承载力施工缝的抗滑移验算5.7剪力墙轴压比限制及边缘构建配筋要求5.8短肢剪力墙的设计要求5.9剪力墙设计构造要求5.10连梁截面设计及配筋构造连梁的配筋计算连梁的配筋构造5.1概述一、概述1、利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构，称为剪力墙结构体系。墙体同时也作为维护及房间分隔构件。2、剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3～8m。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑，此时可省去大量砌筑填充墙的工序及材料，如果采用滑升模板及大模板等先进的施工方法，施工速度很快。3、剪力墙沿竖向应贯通建筑物全高，墙厚在高度方向可以逐步减少，但要注意避免突然减少很多。剪力墙厚度不应小于楼层高度的1/25及160mm。4、现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体截面面积大，承载力要求也比较容易满足,剪力墙的抗震性能也较好。因此，它适宜于建造高层建筑，在10～50层范围内都适用，目前我国10～30层的高层公寓式住宅大多采用这种体系。5、剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的，主要是剪力墙间距太小，平面布置不灵活，不适应于建造公共建筑，结构自重较大。6、为了减轻自重和充分利用剪力墙的承载力和刚度，剪力墙的间距要尽可能做大些，如做成6m左右。7、剪力墙上常因开门开窗、穿越管线而需要开有洞口，这时应尽量使洞口上下对齐、布置规则，洞与洞之间、洞到墙边的距离不能太小。8、因为地震对建筑物的作用方向是任意的，因此，在建筑物的从纵横两个方向都应布置剪力墙，且各榀剪力墙应尽量拉通对直。9、在竖向，剪力墙应伸至基础，直至地下室底板，避免在竖向出现结构刚度突变。但有时，这一点往往与建筑要求相矛盾。例如在沿街布置的高层建筑中，一般要求在建筑物的底层或底部若干层布置商店，这就要求在建筑物底部取消部分隔墙以形成大空间，这时也可将部分剪力墙落地、部分剪力墙在底部改为框架，即成为框支剪力墙结构，也称为底部大空间剪力墙结构。10、当把墙的底层做成框架柱时，称为框支剪力墙，底层柱的刚度小，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大的内力和塑性变形，致使结构破坏。因此，在地震区不允许单独采用这种框支剪力墙结构。11、剪力墙的开洞：在剪力墙上往往需要开门窗或设备所需的孔洞，当洞口沿竖向成列布置时，根据洞口的分布和大小的不同，在结构上就有实体剪力墙、整体小开口剪力墙、联肢剪力墙、壁式框架等。二、结构布置1、剪力墙结构是由纵向和横向钢筋混凝土墙所组成，竖向荷载、风荷载及地震作用均由这些墙体承受。2、高层剪力墙结构，墙体应双向或多向布置，形成对承受竖向荷载有利、抗侧力刚度大的平面和竖向布局。在抗震结构中、应避免仅单向有墙的结构布置形式，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。剪力墙间距不宜太密，宜采用大开间布置。剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变。3、高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。4、高层剪力墙结构的高宽比限值见表2.1和表2.2、表2.3。高层剪力墙结构的基础应有一定的埋置深度(详见第11章)。宜设置地下室。5、较长的剪力墙可用跨高比不小于5的弱连梁分成较为均匀的若干个独立墙段，每个独立墙段可为整体墙或联肢墙，每个独立墙段的总高度和墙段长度之比不应小于2，避免剪切破坏，提高变形能力。每个墙段具有若干墙肢，每个墙肢的长度不宜大于8m。当墙肢长度超过8m时，应采用施工时墙上留洞，完工时砌填充墙的结构洞方法，把长墙肢分成短墙肢，或仅在计算简图开洞处理。6．应控制剪力墙平面外的弯矩。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应至少采取以下措施中的一个措施，减小梁端部弯矩对墙的不利影响：(1)沿梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙，抵抗该墙肢平面外弯矩；(2)当不能设置与梁轴线方向相连的剪力墙时，宜在墙与梁相交处设置扶壁柱。扶壁柱宜按计算确定截面及配筋；(3)当不能设置扶壁柱时，应在墙与梁相交处设置暗柱，并宜按计算确定配筋；(4)必要时，剪力墙内可设置型钢。(5)将梁端设计成铰接或做成变截面梁(梁端截面减小)，以减少梁在竖向荷载下的端弯矩对墙平面外弯曲的不利影响；(6)梁与墙连接时，梁内钢筋应锚人墙内，并有足够的锚固长度。(7)剪力墙结构的剪力墙沿竖向宜连续分布，上到顶下到底，中间楼层不宜中断。墙厚度沿竖向应逐渐减薄，不宜变截面厚度时变化太大。厚度改变与混凝土强度等级的改变宜错开楼层，避免结构刚度突变。三、剪力墙的分类5.2整体剪力墙和整体小开口剪力墙的计算一、整体剪力墙1、凡墙上门窗洞口等开洞面积不超过墙面面积的15％，且孔洞净距及孔洞至墙边净距大于孔洞长边时，可忽略洞口的影响，按整体悬臂墙方法计算墙在水平荷载作用下截面的内力（M、V）。2、内力分析洞口对截面应力分布的影响可以忽略，在弹性阶段，水平荷载作用下沿截面高度的正应力成线性分布。可直接应用材料力学公式，按竖向悬臂梁计算剪力墙任意点的应力或任意水平面上的内力。剪力墙在水平荷载作用下的内力计算公式：M=PH（顶部集中力）；V=PM=q/2H2(均布荷载)；V=qHM=q/3H2(倒三角形)；V=qH/2M：墙体底部弯矩；V：墙体底部剪力。3、计算位移：（1）考虑洞口对截面面积及刚度的削弱：其中：等效截面面积，：截面毛面积。（2）等效截面惯性矩：即取有洞和无洞截面惯性矩沿竖向的加权平均值。有洞口处墙截面惯性矩的计算：（3）V为基底的总剪力，即全部水平力之和，括号内后一项反映剪切变形的影响。为方便计算，引入等效刚度的概念，把剪切变形与弯曲变形综合成用弯曲变形的形式表达：二、整体小开口剪力墙的计算一）、内力计算原理1、整体小开口剪力墙是指门窗洞口沿竖竖向成列布置、洞口的总面积虽然超过总立面面积的16%，但总的来说洞口仍很小。2、整体小开口剪力墙在水平荷载作用下，整体剪力墙既要绕组合截面的形心轴产生整体弯曲变形，各墙肢还要绕各自截面的形心轴产生局部弯曲变形，并在各墙肢产生相应的整体弯曲应力和局部弯曲应力。相比之下，整体弯曲变形是主要的，而局部弯曲变形是次要的，它不超过整体弯曲变形的15%。二）、内力计算方法1、任一墙肢的弯矩：Mp－外荷载作用下，计算截面所产生的弯矩（总弯矩）－第j墙肢的截面惯性矩I－组合截面惯性矩r－整体弯矩系数（整体弯矩占总弯矩的比例），可近似取0.85。2、各墙肢受到的轴力－由整体弯矩产生Aj－第j墙肢的截面积Rj－第j墙肢的截面行心到整个剪力墙组合截面行心的距离3、各墙肢受到的剪力：假定外荷载所产生的总剪力在各墙肢之间可以按抗侧刚度分配，而墙肢的抗侧刚度与截面惯性矩和截面面积有关。近似地取两者的平均值进行分配：4、当剪力墙的多数墙肢基本均匀，符合整体小开口剪力墙的条件，但存在个别小墙肢j时，作为近似计算，仍可以按上述公式计算内力，但小墙肢宜考虑附加的局部弯矩：Vj－按前式计算的第j墙肢的剪力h0－洞口高度三）、位移计算整体小开口墙的侧移可按材料力学公式计算，但由于洞口的存在使墙体的整体抗弯刚度减弱，可将材料力学公式计算出的侧移增大20%，即：整体悬臂墙的等效抗弯刚度和整体墙一致。5.3联肢墙在水平荷载下的内力与位移计算一、联肢墙的特点剪力墙上洞口较大，整体性受到影响，剪力墙截面变形不再符合平截面假定，水平截面上正应力不再是一连续的直线分布，不能再作为单个构件用材料力学方法计算。二、基本思路连系梁的连续化：将每一楼层处的连系梁用沿高度连续分布的栅片代替，连续栅片在层高范围内的总抗弯刚度与原结构中的连系梁的抗弯刚度相等，从而使得连系梁的内力可用沿着竖向分布的连续函数表示。建立相应的微分方程求解后再换算成实际连系梁的内力求出墙肢的内力双肢剪力墙的计算简图三、基本原理－以双肢墙为例1、基本假定连梁的作用可以用沿高度连续分布的栅片代替－将结构沿高度连续化，为建立微分方程提供前提连粱的轴向变形可忽略－墙肢在同一标高处具有相同水平位移各墙肢在同一标高处的转角和曲率相等－得出连梁的反弯点在梁跨中层高、墙肢截面积、惯性矩、连梁截面积、惯性矩等几何参数沿墙高不变－保证微分方程的系数为常数，从而简化方程。2、微分方程的建立利用连梁跨中剪力集度为未知数跨中切口处的竖向相对位移为0的变形条件建立微分方程任一高度处的剪力集度已知后，利用平衡条件可求得墙肢和连梁的内力切口处的竖向位移可通过在切口处施加一对方向相反的单位力求得（1）由墙肢弯曲变形引起的竖向相对位移4）第i层墙肢轴力－i层以上连梁剪力产生5）第i层墙肢弯矩－按墙肢刚度分配（p87，5.51）6）第i层墙肢剪力－近似按两墙肢折算惯性矩分配（p88，5.52）5.4壁式框架的计算一、概念洞口尺寸很大－剪力墙的受力接近于框架截面尺寸效应不能忽略：端部刚性区域较大；需考虑剪切变形的影响用D值法计算壁式框架必须作一些修正由于壁梁和壁柱截面都较宽，在梁柱相交处形成一个结合区（不再是一个结点），这个结合区可以视作不产生变形的刚域，或不产生弯曲变形和剪切变形的刚域，因此，壁式框架的梁、柱实际上都是带刚域的杆件。因而壁式框架就是杆端带有刚域的变截面刚架。壁式框架和普通框架的区别有两点：一是刚域的存在；二是杆件截面较宽，剪切变形不宜忽略。因此，在采用D值法进行计算时，原理和步骤与普通框架都是一样的。但相应的要进行一些修正，这些修正也都是由于上述两个特点带来的。二、内力分析1、计算简图及刚臂长度的取值任采用杆系计算模型，取墙肢和连梁的截面行心为轴线刚域的影响用刚度无限大的刚臂来考虑3、壁式框架的内力计算璧式框架在水平荷载作用下的内力分析可采用D值法进行，但在计算时应注意以下几点：梁和壁柱截面都比较宽，剪切变形的影响是不可忽略的；梁柱节点处有刚域存在。由于这两个原因的存在，对框架柱的抗侧刚度D和反弯点高度都有一定的影响，因此在内力分析前，首先把壁柱的D值及反弯点高度进行修正。三、壁式框架的位移计算1、壁式框架的水平位移同样也包括两部分：梁柱弯曲变形产生的位移及柱轴向变形产生的侧移但轴向变形产生的侧移在框架结构中很小，可以略去不计。梁柱弯曲变形产生的侧移：5.5、剪力墙结构的分类1、按整体参数来划分在推导联肢墙求解方法的公式中曾给出：D为连梁的刚度系数，是衡量连梁转动刚度的依据，其值越大，连梁的转动刚度也越大，连梁对墙肢的约束作用也就越大。为剪力墙墙肢惯性矩之和，反映剪力墙本身的刚度。剪力墙的整体性程度如何，主要取决于连梁与墙肢两者刚度之间的相对关系，即取决于。当剪力墙上的门窗洞口很大，连梁的刚度很小而墙肢的刚度又相对较大时，值就小，说明连梁对墙肢的约束作用很小，连梁犹如铰接于墙肢的一个连杆，每一墙肢相当于一个单肢的剪力墙，这些单肢剪力墙完全承担了水平荷载，墙肢中的轴力为零，各墙肢横截面上的正应力呈线性分布。剪力墙划分判别反之，当剪力墙开洞很小，连梁刚度很大而墙肢的刚度又相对较小时，连梁对墙肢的约束作用很强，整个剪力墙的整体性很好。此时的剪力墙犹如一片整体墙或整体小开口墙，在整个剪力墙的截面中，正应力呈线性分布或接近于线性分布。当连梁对墙肢的约束作用介于上述两种情况之间时，它的受力状态也介于上述两种情况之间，这时整个剪力墙截面正应力不再呈线性分布，墙肢中局部弯曲正应力的比例增大。经过以上分析，对剪力墙类别的判别可给出一个定性的标准：（1）当α1时，可以忽略连梁对墙肢的约束作用，剪力墙按独立墙肢进行计算；（2）当α≥10时，连梁对墙肢的约束作用很强，剪力墙可按整体小开口墙进行计算；（3）当1≤α10时，可按联肢墙进行计算。上面给出了判断剪力墙类别的一个标准，但并不是唯