第6章-剪力墙结构设计.doc
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第六章 剪力墙结构设计
第六章剪力墙结构设计
剪力墙结构是指纵横向主要承重构件全部为结构墙的结构。
当墙体处于建筑物中合适的位置时,它们能形成一种有效抵抗水平作用的结构体系。
同时,又能承受竖向荷载,起到对空间的分割作用。
结构墙的高度一般与整个房屋的高度相同,自基础直至屋顶,高达数十米或上百米。
其长度则视建筑平面布置而定,一般为几米至几十米。
相对而言,它的厚度则很薄,一般仅200~300mm,最小可达160mm。
因此,结构墙在其墙身平面内的抗侧移刚度很大,而其墙身平面外的刚度却很小,一般可忽略不计。
所以,建筑物上大部分的水平作用或水平剪力通常被分配到结构墙上,所以称为剪力墙,以便与一般仅承受竖向荷载的墙体相区别。
第一节剪力墙结构布置与计算简图
一、剪力墙的分类
由于使用功能的要求,剪力墙有时需开设门窗洞口。
根据洞口的有无、大小、形状和位置等,剪力墙可划分为以下几类:
(1)整体墙。
当剪力墙无洞口,或虽有洞口但墙面洞口的总面积不大于剪力墙墙面总面积的16%,且洞口间的净距及洞口至墙边的距离均大于洞口长边尺寸时,可忽略洞口的影响,这类墙体称为整体墙,如图6·2·1(a,b)所示。
这种墙实际上是一竖向悬臂构件,在水平荷载作用下,弯曲变形符合平截面假定,墙肢截面的正应力为直线分布。
(2)小开口墙。
当剪力墙的洞口稍大,且洞口沿竖向成列布置[图6·2·1],洞口的面积超过剪力墙墙面总面积的16%,但洞口对剪力墙的受力影响仍较小时,这类墙体称为整体小开口墙。
在水平荷载作用下,由于洞口的存在,剪力墙的墙肢中会出现局部弯曲,其截面应力可认为由墙体的整体弯曲和局部弯曲二者叠加组成,但局部弯曲引起的应力不超过整体弯曲应力的15%,截面变形仍接近于整体墙。
(3)联肢墙。
当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大的洞口时,由于洞口较大,剪力墙截面的整体性大为削弱,其截面变形已不再符合平截面假定,这类剪力墙可看成是若干个单肢剪力墙或墙肢(左、右洞口之间的部分)由一系列连梁(上、下洞口之间的部分)联结起来组成。
当开有一列洞口时称为双肢墙[图6·2·1(d)];当开有多列洞口时称为多肢墙。
墙肢的线刚度比连梁的线刚度大得多,每根连梁中部都有反弯点,而墙肢仅在少数楼层出现反弯点。
在水平荷载作用下,所有的连梁都呈现双曲率弯曲形态,而大部分的墙肢都呈现单曲率弯曲形态,墙肢变形仍以弯曲变形为主。
(4)大开口墙。
当剪力墙成列布置的洞口很大,且洞口较高、连梁高度很小时,这类墙体称为大开口墙。
这时,连梁刚度相对于墙肢非常小,连梁仅相当于墙肢间的刚性链杆,将洞口两侧墙肢分隔成一片片独立的整体墙。
各墙肢截面的正应力为直线分布,受力与多片整体墙类似。
(5)壁式框架。
当剪力墙成列布置的洞口很大,且洞口较宽、墙肢宽度相对较小、连梁的刚度接近或大于墙肢的刚度时,墙肢和连梁中部均出现反弯点而呈现双曲率弯曲形态,剪力墙的受力性能与框架结构相类似,这类剪力墙称为壁式框架。
[图6·2·1(e)]
(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)
图6.2.1剪力墙的分类
(a)无洞整截面墙;(b)整体墙;(c)小开口墙;(d)双肢墙;(e)多肢墙;(f)大开口墙;(g)壁式框架
二、剪力墙结构布置
1.平面布置
(1)剪力墙结构中所有竖向荷载和水平作用全部由剪力墙承受,所以剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置,以便形成整体性较好的空间结构。
一般情况下,采用矩形、T形和L形平面时,剪力墙应沿纵横两个正交的主轴方向布置;采用形及Y形时,可沿三个方向布置;正多边形、圆形和弧形平面,则可沿径向及环向布置。
不同方向的剪力墙宜分别联结在一起,尽量拉通、对直,使两个方向侧向刚度接近。
剪力墙墙肢截面宜简单、规则,一般可设计成一字形、T形、L形、I形、槽形等,尽量不要使用Z形或其他形状复杂的墙肢截面形式,图1.9为几种常见的剪力墙墙肢截面形式。
抗震设计时,应避免仅单向有墙的结构布置形式,尽量把墙肢设计成带翼缘的构件,见图1.9(b)~(g)。
这样既可以满足与墙体相交的梁的锚固要求,又可以防止墙的侧向压屈。
当剪力墙进入塑性受力阶段时,这些带翼缘的构件还可以对塑性铰区的混凝土形成约束,增加结构的延性。
图6-剪力墙墙肢截面形式
(2)剪力墙结构可根据墙的间距大小分为小开间剪力墙和大开间剪力墙两种类型。
小开间剪力墙的横墙间距一般在3~5m之间,见图1.6(a)。
这种体系的剪力墙较密,结构所占的面积可以达到层建筑面积的8%~10%,材料消耗大,不经济,但楼面板容易处理。
大开间剪力墙的间距一般在6~8m,墙少,建筑布置灵活,见图1.6(b)。
大开间布置的剪力墙结构所占的面积可以控制在层建筑面积的7%以内。
材料消耗少,经济性好。
但由于开间大,楼板比较难处理。
剪力墙的侧向刚度及承载能力均较大,若侧向刚度过大,不仅加大自重,还会使地震作用增大,对结构受力不利。
为了使结构具有适宜的侧向刚度,减轻结构自重,增大结构的可利用空间,墙不宜布置得太密。
在有效控制结构侧移的前提下,应使结构的侧向刚度尽可能小,这对减小结构的地震作用、节约工程投资都是有利的。
(3)剪力墙布置时还要注意单片剪力墙的长度不宜过大。
一方面,由于剪力墙的长度很大,使得结构自振周期过短,地震作用增大;另一方面,低而宽的剪力墙墙肢易发生脆性的剪切破坏,使结构的延性降低,对结构抗震不利。
因此,当同一轴线上的连续剪力墙过长时,应该用不设连梁的楼板或跨高比大于6(ln/h>6)的弱连梁分成若干个墙段。
每一个墙段相当于一片独立剪力墙,墙段总高度与总宽度之比H/L不宜小于2,以避免发生剪切破坏。
每一墙段可以是整体墙、小开口墙或联肢墙,具有若干个独立墙肢。
每一墙肢的长度不宜大于8m,以保证墙肢是由受弯承载力控制,而且靠近中和轴的竖向分布钢筋在破坏时能充分发挥作用。
图6.1.1较长剪力墙划分示意图
(4)剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大,而平面外刚度及承载力都相对很小。
当剪力墙与平面外方向的梁连接时,会造成墙肢平面外受弯,而一般情况下并不验算墙的平面外刚度及承载力,因此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,且梁截面高度大于墙厚时,可通过设置与梁相连的剪力墙、增设扶壁柱或暗柱、墙内设置与梁相连的型钢等措施以减小梁端部弯矩对墙的不利影响;除了加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力外,对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接,减小墙肢平面外的弯矩;铰接端或半刚接端可通过弯矩调幅或梁变截面来实现。
图梁墙相交时剪力墙的加强措施
(a)加剪力墙;(b)加扶壁柱;(c)加暗柱;(d)加型钢
2.竖向布置
(1)剪力墙宜自下到上连续布置,不应中断。
当顶层取消部分剪力墙而设置大房间时,其余剪力墙应在构造上予以加强;当底层取消部分剪力墙时,应设置转换层。
为避免刚度突变,墙厚和混凝土强度等级以及墙体配筋率的改变宜错开楼层,按阶段变化。
混凝土强度等级一般每次变化一级。
墙厚每次变化宜为50~100mm,使侧向刚度沿高度逐渐减小,均匀变化。
为减小上、下剪力墙的偏心,除外墙和电梯井外,一般墙厚宜两侧同时内收。
上宽下窄的刀把形剪力墙,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影响,采用时宜十分慎重。
图6.1.4刀把形剪力墙
(2)剪力墙洞口的布置会极大地影响剪力墙的受力性能,为此剪力墙的洞口宜上下对齐,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,应力分布比较规则。
错洞剪力墙往往受力复杂,洞口边角容易产生明显的应力集中,造成剪力墙的薄弱部位。
因此宜避免使用不规则的错洞墙和叠合错洞墙。
在剪力墙上开设门窗洞口时,应避免3个以上洞口集中于同一十字交叉墙附近而形成独立小墙肢,洞口至墙边角的水平距离宜符合图6-的要求。
图6.1.2不规则开洞及配筋构造
(a)错洞墙;(b)叠合错洞墙图剪力墙洞口至墙边距离
(3)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:
墙肢截面高度与厚度之比小于3的小墙肢在反复荷载作用下,比普通墙肢早开裂,即使加强配筋,也难以防止小墙肢的较早破坏。
在设计剪力墙时,墙肢截面高度不宜小于3bw,不应小于500mm。
图6。
1。
3小墙肢
3.结构方案初估
(1)剪力墙的厚度
剪力墙结构的底层厚度,可按每层大约10mm初估。
剪力墙的最小厚度按160mm考虑。
剪力墙住宅的墙厚一般可按表7-1估算。
对于一、二级抗震等级剪力墙,表中数字应增加:
40mm(底部加强部位),20mm(无端柱或翼墙的其他部位)。
设防烈度9度时亦应适当增加。
表7-1剪力墙住宅的墙厚(mm)
层数
小开间(3~4m)
大开间(6~8m)
20-24
200
220-240
16-20
180
200-220
8-15
160
180
(2)剪力墙的数量
从实际设计的16~28层住宅来看,底层部分剪力墙截面总面积AW与楼面面积Af之比,大约在以下范围内:
小开间(3~4m):
AW/Af=7%~9%(7-8)
大开间(6~8m):
AW/Af=4%~6%(7-9)
在方案上宜首先采用大开间剪力墙结构。
(3)合理周期和地震力
剪力墙结构宜控制其周期在下列范围内:
T1=(0.05~0.06)n(7-10)
式中n——建筑物的层数。
建筑物的底部地震剪力V0E与总重力荷载代表值GE之比,宜控制在表7-2规定的范围内。
表7-2底部剪力V0E与总重力荷载代表值GE之比(%)
设防烈度
场地
7度
8度
9度
I级
2~3
4~5
8~10
II级
3~4
5~7
9~14
表中数值通常适用于15~20层建筑,当建筑物高度更大时,比值会适当降低。
应当注意,以上内容可用于两个方面:
在方案设计阶段近似估算剪力墙的用量;在初步设计时,对计算机方法粗算周期和地震作用结果合理性的评价。
三、荷载分配
1.竖向荷载在剪力墙内的分布
在竖向荷载作用下,剪力墙结构的内力可以分片计算。
每片剪力墙作为一竖向悬臂构件,按照它的负荷面积计算荷载。
作用于剪力墙计算截面上的竖向荷载有:
①各层楼板及与墙垂直的梁传递的荷载;②剪力墙端部由连梁通过与墙相连端传来的荷载;③剪力墙的自重。
通常竖向荷载多为均匀、对称的,在各墙肢内产生的主要是轴力,故计算时常忽略较小的弯矩的影响,按轴心受压构件计算墙肢轴力。
计算各墙肢的荷载时,以门洞中线作为荷载范围分界线,墙肢自重应扣除门洞部分。
当有梁支承在剪力墙上,传到墙肢上的集中荷载可以按照45°角向下扩散到整个墙截面,可以按照分布荷载计算集中荷载对墙面的影响。
当纵横墙整体连接时,一个方向墙上的荷载可以向另一个方向墙扩散,在楼板一定距离以下,可以认为竖向荷载在纵横墙内为均匀分布。
(图5·32)。
图5.32竖向荷载作用下剪力墙计算简图
连梁在竖向荷载下按两端固定(两端与墙相连)或一端固定、一端刚结(与柱相连)的梁计算弯矩和剪力。
求出连梁梁端弯矩后再按上、下层墙肢的刚度分配到剪力墙上。
在竖向荷载作用下,剪力墙计算截面上各荷载可等效为作用于剪力墙形心轴处的轴向力N和弯矩M。
对整体墙,此轴向力即为该片墙的轴力;对小开口整体墙和联肢墙可将
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