某设计院剪力墙结构设计综合培训

敖辉2015.06.25剪力墙结构设计综合培训前言■2012年5月份《剪力墙结构设计要点》培训，背景为10版《抗规》2010-12-01实施，10版《高规》2011-10-01实施，重点为对新规范条文的理解与应用。■2015年2月份《剪力墙结构设计再认识》培训，背景为：1、近几年各开发公司对土建成本的控制日益严苛，给结构精细化设计提出更高的要求；2、对设计过程中一些常遇问题进行整理，力求统一认识。提纲1、剪力墙结构设计规范要点1.1剪力墙截面厚度1.2墙肢分类1.3底部加强部位高度1.4上部结构嵌固端1.5轴压比控制1.6剪力墙墙身分布筋1.7边缘构件设计1.8连梁设计提纲2、剪力墙结构设计探讨与建议2.1探讨依据2.2目前存在的可优化空间2.3约束边缘构件YBZ体积配箍率计入剪力墙水平分布钢筋2.4约束边缘构件YBZ非阴影区箍/拉筋做法2.5剪力墙平面外单边搭梁的处理2.6短肢剪力墙的配筋建议2.7转角窗墙端边缘构件做法建议2.8关于墙肢纵筋合力点■具体规定详见《抗规》6.4.1条及《高规》7.2.1条规定。■《高规》中仅规定了各种条件下剪力墙的最小厚度。比较之下，《抗规》中的条文更为细致，除最小厚度外，还规定了与层高或无支长度的关系。●规定剪力墙最小厚度的目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。当墙平面外有与其相交的剪力墙时，可视为剪力墙的支承，有利于保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能，因而可在层高及无支长度二者中取较小值计算剪力墙的最小厚度。●在《抗规》6.4.1中有墙厚“…且不宜小于层高或无支长度的1/XX…”的规定。●《高规》为何不规定墙厚与层高或无支长度比值的限制要求，在7.2.1条文说明中有解释。●《高规》7.2.1条第2款“一、二级剪力墙…一字形独立剪力墙底部加强部位不应小于220mm…”的规定应特别注意。1.1剪力墙截面厚度■同01版《抗规》和02版《高规》相比较，10版《抗规》和《高规》对剪力墙厚度要求有所放宽。■无论何种情况，墙厚均需满足墙体稳定验算要求。■无支长度是指沿剪力墙长度方向没有平面外横向支承墙的长度。两端无翼墙和端柱的一字形剪力墙，只能按层高计算墙厚。1.1剪力墙截面厚度■《抗规》6.4.6条规定：抗震墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的有关要求进行设计；矩形墙肢的厚度不大于300mm时，尚宜全高加密箍筋。注：《抗规》无短肢剪力墙定义及相关规定，多层剪力墙结构设计时注意，短肢剪力墙倾覆力矩比、轴压比、配筋率较《高规》可以有所放宽，最好事先与审图单位进行沟通。■《高规》7.1.7条规定：当墙肢的截面高度与厚度之比不大于4倍时，宜按框架柱进行截面设计。■《高规》7.1.8条注1规定：短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙。■《混凝土异形柱结构技术规程》2.1.1条定义：异形柱——截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。1.2墙肢分类归纳如下：●截面高度／厚度≤4时，按柱（矩形柱或异形柱）进行设计；●4＜截面高度／厚度≤8，且肢厚≤300mm时，按短肢剪力墙进行设计；●截面高度／厚度﹥8，或肢厚﹥300mm且截面高度／厚度﹥4，按一般剪力墙进行设计。注：（1）以上“截面高度／厚度”取剪力墙各肢截面高度与厚度之比的最大值；（2）矩形墙肢按柱进行设计时，若厚度≤300mm，箍筋宜全高加密；（3）剪力墙按柱进行设计时，“柱截面每一侧纵向钢筋配筋率不应小于0.2%”的规定往往被忽视，应特别注意！例如250x800截面的剪力墙按柱设计，如果端部仅设置两根纵筋，则角部两根钢筋As=250x800x0.2%=400mm²，需至少配置2Φ16方可满足要求。1.2墙肢分类1.2墙肢分类墙肢分类示意图■一般剪力墙结构在水平地震作用下，竖向相当于箱型悬臂梁，其变形呈弯曲形。剪力墙底部加强部位是容易屈服的部位，类似框架梁梁端箍筋加密区。抗震设计时，为保证出现塑性铰后剪力墙具有足够的延性，该范围内应加强构造措施，提高其抗剪破坏的能力。■《抗规》6.1.10条规定：1、底部加强部位的高度，应从地下室顶板算起。2、……；房屋高度不大于24m时，底部加强部位可取底部一层。3、当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时，底部加强部位尚宜向下延伸到计算嵌固端。注：房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度，与地下室顶板标高无关。■《高规》7.1.4条规定基本同上。1.3底部加强部位高度■相比01版《抗规》和02版《高规》，剪力墙底部加强部位高度有所降低，且明确定义“底部加强部位的高度应从地下室顶板算起”。■旧规范中，底部加强部位的高度按墙肢总高度计算，定义略为模糊，比如以地下室底板为嵌固端时，墙肢总高度从地下室底板还是顶板算起？抑或从室外地面算起？可能会引发不必要的争议。1.3底部加强部位高度1.3底部加强部位高度■以实际工程为例：●某高层住宅，地上33层，层高2.8m；地下一层，地下室顶板顶标高为-1.300；室内外高差0.450m。●底部加强部位的高度从地下室顶板算起，H=2.800x33+1.300=93.700m，●底部加强部位高度h=93.700／10=9.370m，该9.370m为从地下室顶板-1.300算起的高度，实际底部加强部位顶标高为9.370-1.300=8.070。●三层顶板标高为8.350﹥8.070，故取底部三层为剪力墙底部加强部位，同时满足“底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1／10二者的较大值”的要求。1.3底部加强部位高度■规范条文“当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时，底部加强部位尚宜向下延伸到计算嵌固端”的重点是“向下延伸”，即不影响底部加强部位的顶标高。■按上面例题，当结构计算嵌固端位于基础底板时，则底部加强部位延伸到-5.500，但顶标高8.350不变。1.4上部结构嵌固端■所谓嵌固端，即结构在强震作用下，可能首先发生屈服，出现塑性铰的部位。■对于有地下室的高层住宅，究竟取地下室顶板还是基础底板作为上部结构嵌固部位，一直存在争议。●即便设计把嵌固端设置在基础底板，地下室周边地基土的约束刚度也是客观存在的，对上部结构形成一定的“嵌固”作用，在这种情况下，一些审图单位提出分别以地下室底板、顶板为嵌固进行上部结构包络设计，有其合理性。●从经济性分析，以地下室顶板为嵌固，地下室不属于底部加强部位，对于抗震等级三级及以上的剪力墙结构，不需设置约束边缘构件，但为满足层间刚度比要求，地下室剪力墙面积需有所增加，二者优劣难以简单判断。一般当地下室层高低于地上一层较多时，才具备以地下室顶板作为嵌固端的可行性。1.4上部结构嵌固端■当遇到地下室上部结构若干单元之间设置变形缝时，如条件许可，宜以地下室顶板作为上部结构嵌固端。满足嵌固条件后，各塔楼地上单元分别计算，计算结果清晰准确。否则应按多塔楼及单塔楼模型分别整体计算，构件取包络配筋。■在进行一个小区的设计时，取地下室顶板还是基础底板作为上部结构嵌固部位，同等条件下所有单体的处理方法应该统一。1.4上部结构嵌固端■刚度比要求：●《高规》5.3.7条规定：高层建筑结构整体计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。●《高规》5.3.7条文说明：计算地下室结构楼层侧向刚度时，可考虑地上结构以外的地下室相关部位的结构，“相关部位”一般指结构外扩不超过三跨的地下范围。楼层侧向刚度比可按本规程附录E.0.1条公式计算。●查附录E.0.1条公式，该刚度比为等效剪切刚度比。当上下层混凝土强度等级一致时，与折算抗剪截面面积和层高有直接关系。●《抗规》中对刚度比的相关规定见6.1.14条第2款。其条文说明中对“相关部位”的定义为“地上结构周边外延不大于20m”。●上海《抗规》对刚度比的相关规定见6.1.17条第2款：地下室为一层或两层时，地下一层结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的1.5倍；当地下室超过两层时，地下一层结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。1.4上部结构嵌固端1.4上部结构嵌固端■构造要求当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构构件相关要求如下：●抗震等级确定详见《高规》3.9.5条及《抗规》6.1.3条第2款规定。●构件构造要求详见《高规》3.6.3条、12.2.1条，及《抗规》6.1.14条规定。1.5轴压比控制■《抗规》6.4.2条附注中解释到：墙肢轴压比指墙的轴压力设计值与墙的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。其条文说明中说明“计算墙肢轴压力设计值时，不计入地震作用组合，但应取分项系数1.2”。■《高规》7.2.13条附注中解释到：墙肢轴压比是指重力荷载代表值作用下墙肢承受的轴压力设计值与墙肢的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。■控制剪力墙轴压比的轴力设计值N=1.2×（恒荷工况下轴力标准值+可变荷载组合值系数×活荷工况下轴力标准值）。组合值系数详见《抗规》表5.1.3。1.5轴压比控制1.6剪力墙墙身分布筋■截面厚度bw≤400mm双排配筋；400mm﹤bw≤700mm三排配筋；bw﹥700mm四排配筋。■分布筋配筋率、直径、间距等要求详见《高规》7.2.17~7.2.19条，以及《抗规》6.4.3及6.4.4条。比较特殊之处有以下两点：●《抗规》6.4.3条附注“高度小于24m且剪压比很小的四级剪力墙，其竖向分布筋的最小配筋率应允许按0.15%采用”。●《抗规》6.4.4条第3款有“竖向钢筋直径不宜小于10mm”的规定，在《高规》中无此书面要求。●《抗规》6.5.2条针对框架-抗震墙结构，有“钢筋直径不宜小于10mm”的规定。■按规范，理论上一般剪力墙结构墙体分布筋最大间距为300mm，实际工程中最大间距一般控制在200mm。（注：2012年设计思路）■剪力墙底部加强部位的重要性前面已经介绍了，作为增强措施，该部位水平分布筋间距一般为150mm。此外视总楼层数不同，顶部1~2层水平分布筋间距也会加强至150mm，作为一道顶箍，对屋面温度应力起到一定的约束作用。（注：2012年设计思路）1.6剪力墙墙身分布筋■《建筑地基基础设计规范》8.4.5规定：“采用筏形基础的地下室…墙体内应设置双面钢筋…水平钢筋的直径不应小于12mm…”。此条设计中一般不会执行，若审图提出，视沟通结果确定。1.7边缘构件设计剪力墙边缘构件分约束边缘构件（YBZ）和构造边缘构件（GBZ）两种。■约束边缘构件《高规》7.2.14条第1款规定：一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于表7.2.14的规定值时，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应在底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件。《抗规》6.4.5条第2款规定基本同上。1.7边缘构件设计约束边缘构件的基本构造要求详见《高规》7.2.15条及《抗规》6.4.5条第2款有关规定。需要注意的地方主要有以下两点：●计算体积配箍率时，当混凝土强度等级低于C35时，应按C35取值；●约束边缘构件箍筋一般采用三级钢，可减小体积配箍率，对控制含钢量有益。1.7边缘构件设计1.7边缘构件设计■构造边缘构件构造边缘构件的基本构造要求详见《高规》7.2.16条及《抗规》6.4.5条第1款有关规定。1.7边缘构件设计需要注意的地方主要有以下几点：●构造边缘构件的阴影区尺寸，《高规》与《抗规》是有区别的，对于非高层建筑，可按《抗规》执行。●《高规》7.2.16条第4款规定：抗震设计时，对于连体结构、错层结构以及B级高度高层建筑结构中的剪力墙（筒体），其构造边缘构件的最小配筋应符合下列要求：1）竖向钢筋最小量应比上表的数值提高0.001Ac；2）配箍特征值λV不宜小于0.1。1.7边缘构件设计●构造边缘构件与剪力墙重合时（非独立墙肢），箍筋可采用一级钢，易于加工，经济性可能也会稍好一些。此处用一级钢完全为构造做法，与SATWE前期输入的边缘构件箍筋强度等级无关，SATWE前期输入的边缘构件箍筋强度等级应该用