高层剪力墙结构设计-2.ppt

6 高层剪力墙结构设计 6.1 结构布置 n剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置； n剪力墙墙肢截面宜简单、规则、剪力墙的竖向刚 度应均匀，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； n为了避免剪力墙脆性破坏，较长的剪力墙宜开设 洞口，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之 间宜采用弱梁连接，每个独立墙段的总高度与其 截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于 8m； 6.1 结构布置 n剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置； n剪力墙墙肢截面宜简单、规则、剪力墙的竖向刚 度应均匀，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； n为了避免剪力墙脆性破坏，较长的剪力墙宜开设 洞口，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之 间宜采用弱梁连接，每个独立墙段的总高度与其 截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于 8m； 剪跨比： 表示截面上弯矩与剪力的相对大小， 是影响剪力墙破坏形态的重要因素。 弯曲破坏: 时，高墙（H/hw23），以弯矩 作用为主，容易实现弯曲破坏，延性较好。 弯剪破坏: ,中高墙（H/hw=12），很难 避免出现剪切斜裂缝，视设计措施是否得当而可 能弯坏，也可能剪坏，按照强剪弱弯合理设计， 也可能实现延性尚好的弯剪破坏。 剪切破坏: 的剪力墙，矮墙（H/hw1） 滑移破坏：实际工程中，滑移破坏很少见，可能 出现的位置是施工缝截面。 n剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变； n应控制剪力墙平面外的弯矩，以保证剪力墙平面外 的稳定性； （1）沿梁轴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； （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。 n不宜将楼面主梁支承在剪力墙之间的连梁上。 6.2 剪力墙的类型 1整截面墙 不开洞或开洞面积不大于15%的整截面剪力墙 受力特点：整体悬臂墙，弯矩图既不突变也无反弯点。 变形特点：弯曲型变形 2整体小开口墙 开洞面积大于15%但仍较小的墙 受力特点：弯矩图在连系梁处发生突变，但在整个 墙肢高度上没有或仅在个别楼层中才出现反弯点。 变形特点：以弯曲型为主 3双肢墙及多肢墙 开洞较大、洞口成列布置的墙 受力特点：与整体小开口墙相似 变形特点：以弯曲型为主 4壁式框架 开洞尺寸大、连梁线刚度大于或接近墙肢线刚度的墙 受力特点：弯矩图在楼层处有突变，在大多数楼层 中都出现反弯点 变形特点：以剪切型为主 6.3 计算假定及荷载分配 1计算基本假定 （1）一片剪力墙可以抵抗在本身平面内的侧向力 ，而在平面外的刚度很小，可以忽略。 （2）楼板在其自身平面内刚度无限大，楼板平面 外刚度很小，可以忽略。 剪力墙有效翼缘宽度 表6-3 考虑方式 截面形式 T形或I形L形或形 按剪力墙间距计算 按翼缘厚度计算 按门窗洞口计算 2竖向荷载分配 剪力墙所承受的竖向荷载，一般是结构自重和楼面荷 载，通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（ 门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产 生轴力。按每片墙的承荷面积计算它的荷载。 3水平荷载分配 总水平荷载按各片剪力墙刚度分配到每片墙，然 后分片计算剪力墙的内力。 式中，Vpi第i层总剪力 EcIeqj第j片墙的等效抗弯刚度。 6.4 整体墙近似计算方法 一、整体墙的界定 当门窗洞口的面积之和不超过剪力墙侧面积的15% ，且洞口间净距及孔洞至墙边的净距大于洞口长边 尺寸时，即为整体墙。 二、整体墙的内力、位移计算 内力计算按悬臂构件，可以计算到整体墙在水平荷 载下各截面的弯矩和剪力。 式中，截面的正应力； 截面的剪应力； M截面的弯矩； V截面的剪力； I截面惯性矩； S截面的静矩； b截面宽度； y截面重心到所求正 应力点的距离。 式中，V0底部截面总剪力； G混凝土的剪切模量，G=0.4E Aq小洞口整体墙折算截面面积； Iq等效惯性矩； 位移要考虑洞口对截面面积及刚度的消弱影响 式中，V0底部截面总剪力； G混凝土的剪切模量，G=0.4E Aq小洞口整体墙折算截面面积； A墙截面毛面积； Ad墙面洞口立面面积； A0墙立面总墙面面积； Iq等效惯性矩； Ij剪力墙沿竖向各段的惯性矩，有洞口 时扣除洞口的影响； hj各段相应的高度； 等效截面面积 Ad 剪力墙洞口立面面积 A0 剪力墙立面总面积 等效折算惯性矩 等效抗弯刚度 与荷载形式有关 考虑剪切变形的影响（G0.4E） 高规 ：1.2 ：剪力不均匀系数 工：全截面面积/腹板截面面 积 T：查表6.1 顶点位移 小开口整体墙的计算 小开口整体墙在水平荷载作用下，截面上的正应力不再符合 直线分布，墙肢中存在局部弯矩。 在剪力墙中产生整体弯曲弯矩 和局部弯曲弯矩 = + n有了墙肢的内力后，按照上下层墙肢的轴力差即可算到连 梁的剪力，进而计算到连梁的端部弯矩。 n需要注意的是，当小开口剪力墙中有个别细小的墙肢时， 由于细小墙肢中反弯点的存在，需对细小墙肢的内力进行 修正，修正后细小墙肢弯矩为： 其中，细小墙肢的高度，即洞口净高。 符合小开口整体墙的判断条件 10且 时， 局部弯曲弯矩在总弯矩 中所占的比重较小， 一般不会超过15。因此，可以按如下简化的方法 计算： 1、墙肢弯矩 2、墙肢轴力 3、墙肢剪力 墙肢剪力可以按墙肢截面积和惯性矩的平均值进行分配 其中， 外荷载对于剪力墙截面的总剪力。 6.5 连续化方法计算联肢剪力墙 对于联肢墙，连续化方法是一种相对比较精确 的手算方法，而且通过连续化方法可以清楚地了 解剪力墙受力和变形的一些规律。连续化方法把 连梁看做分散在整个高度上的连续连杆。 6.5 连续化方法计算联肢剪力墙 对于联肢墙，连续化方法是一种相对比较精确 的手算方法，而且通过连续化方法可以清楚地了 解剪力墙受力和变形的一些规律。连续化方法把 连梁看做分散在整个高度上的连续连杆。 问题：为什么可以采用连续化方法计算联 肢剪力墙？ 1基本假定 （1）连梁的反弯点在跨中，连梁的作用可以用沿 高度均匀分布的连续弹性薄片代替（连梁连续化 假定）； （a）结构尺寸； (b) 计算简图； (c) 基本体系 （2）忽略连梁轴向变形，即假定两墙肢水平位移 完全相同，同一标高处，两墙肢的转角和曲率相 等。 （3）层高h和惯性矩I1、I2、Ib及面积A1、A2、Ab 等参数，沿高度均为常数。 2方程的建立 在连梁的反弯点处切开，双肢墙变成两个静定的悬臂 墙，切口处的轴力(x)和剪应力(x)是未知力，由切点处 的相对位移为零的变形协调条件，可得沿剪应力(x)方向 的变形连续条件的表达式： 1(x)由墙肢的弯曲和剪切变形产生的竖向相对位移； (a)弯曲变形 (b) 剪切变形 2(x)由墙肢的轴向变形产生的竖向相对位移； 3(x)由连梁的弯曲和剪切变形产生的竖向相对位移。 2(x)由墙肢的轴向变形产生的竖向相对位移； 3(x)由连梁的弯曲和剪切变形产生的竖向相对位移。 问题：切口处的轴力(x)为什么不列变形连续方程？ 在x处作截面截断双肢墙，由平衡条件有: 3联肢墙的内力计算 一、连梁的剪力和弯矩 由以上两式，可得连梁中点处的剪应力(x)， 计算j层连梁内力，用该连梁中点处的剪应力乘以 层高得剪力（近似于层高范围内积分），剪力乘连 梁净跨度的1/2得连梁根部的弯矩： 二、墙肢的弯矩和剪力 墙肢的总弯矩和总剪力： 式中，Mpj，Vpj第j层由于外荷载产生的弯矩和剪力。 ms第s层（sj）的总约束弯矩： 式中, 是墙肢考虑剪切变形后的折算惯性矩： 4联肢墙计算结果讨论 一、整体系数 式中，s联肢墙洞口列数，s+1即为墙肢数； ai，ci2ai，2ci分别为第i个洞口的净宽及相 邻墙肢重心到重心的距离； T轴向变形影响参数； 第i列连梁的惯性矩。 的大小直接反映了剪力墙中连梁和墙肢刚度的相对 大小，故可以按照的大小划分剪力墙的类别。 1、当 1时 1说明相对墙肢来讲，连梁的作用很弱，可以不考 虑连梁对墙肢的约束作用，将连梁看成是两端为铰的连杆 。这样，整片剪力墙就变成了通过连梁铰接的几根悬臂墙 肢。在水平荷载下，所有墙肢变形相同，荷载可以按照各 墙肢刚度分配。这种墙可称为悬臂肢墙。 2、当 1 10时 此时， 值较大，说明连梁的刚度较强，连梁对墙肢 的约束作用不容忽视，剪力墙即为联肢墙。 3、当 10时 10有两种以下情况，可按值进行划分 10 且 时 大小反映了剪力 墙上洞口的相对大小。当洞口很小时， IA/I值接 近于1.0；当洞口较大时，IA/I 值就小。当 IA/I 时 ，剪力墙上洞口较小、整体性很好，这种墙即为 小开口整体墙。 10且IA/I 时，剪力墙上洞口尺寸较大， 墙肢较弱，因而计算出的值较大。在水平力的作 用下，一般情况下各层墙肢中均有反弯点，剪力 墙的受力特点类似于框架结构。故这种剪力墙称 为壁式框架。 二、联肢墙侧移和内力分布 联肢墙的侧移曲线呈弯曲型，整体系数越大，墙的抗侧 刚度越大，侧移减小； 连梁最大剪力在中部某个高度，向上、下都逐渐减小。整 体系数越大，剪力增大，最大剪力位置越接近底截面。 因为墙肢轴力是该截面上所有连梁剪力之和，整体系数 越大，墙肢轴力增大。 整体系数越大，墙肢弯矩越小。 三、墙肢剪切变形和轴向变形的影响 20层联肢墙分三种情况按 连续化方法计算得到的内力和 位移比较图。 第一种：考虑弯曲、轴向、剪 切变形 第二种：考虑弯曲、轴向变形 第三种：仅考虑弯曲变形 第一种和第二种计算结果对比发 现，不考虑剪切变形，误差不大 ，不超过10%。 从第一种和第三种计算结果对 比发现，不考虑轴向变形的影 响误差较大。 忽略轴向变形对内力和位移产生的误差 误误差 层层 数 10152030 内力（1015）%20%（2030）%50% 位移偏小30%偏小50%偏小200%偏小400%以上 层数愈多，轴向变形的影响越大。高规：对50m以 上或高宽比大于4的结构，宜考虑墙肢在水平荷载作用下的 轴向变形对内力和位移的影响。 6.6 壁式框架的计算 1、计算简图及特点 u壁式框架的计算简图取壁梁（即连梁）和壁柱（ 墙肢）的轴线。 u由于连梁和壁柱截面高度较大，在壁梁和壁柱的 结合区域形成一个弯曲和剪切变形很小、刚度很大 的区域。这个区域一般称作刚域。 u壁式框架是杆件端部带有刚域的变截面刚架。 u壁式框架可看作框架类，但和普通框架有点不同： (1) 壁式框架带刚域； (2) 壁式框架杆件截面较宽，剪切变形的影响不宜忽 略。 u 因此，对带刚域的杆件考虑剪切变形后的D值和反 弯点高度进行修正后，可用D值法计算壁式框架。 2、带刚域杆件的刚度系数 带刚域杆件的梁端约束弯矩系数可以由结构力学 的方法计算到： 式中， 考虑剪切变形影响后的附加系数， 与普通杆件的梁端约束弯矩系数相比较，即可知 道带刚域杆件的刚度系数为： 左端： 右端： 杆件折算刚度系数： 3、壁柱的抗推刚度D 有了带刚域杆件的刚度系数，就可以把带刚域杆 件按普通杆件来对待。壁柱的抗推刚度D计算式 为 D= 4、反弯点高度的修正 壁柱反弯点高度按下式计算： 式中， a柱子下端刚域长度系数； s壁柱扣除刚域部分柱子净高与层高的 比值； 其他符号意义同前。 5、壁式框架的侧移计算 壁式框架的侧移也由两部分组成：梁柱弯曲变 形产生的侧移和柱子轴向变形产生的侧移。轴向 变形产生的侧移很小，可以忽略不计。 层间侧移： 顶点侧移： 6.6 壁式框架的计算 壁式框架可看作框架类，但和普通框架有点不同： (1) 壁式框架带刚域； (2) 壁式框架杆件截面较宽，剪切变形的影响不宜忽 略。 因此，对带刚域的杆件考虑剪切变形后的D值和反 弯点高度进行修正后，可用D值法计算壁式框架。 上图是等截面杆考虑剪切变形后的刚度系数，图中杆 两端都有单位转角时的杆端弯矩为 ,i考虑剪切变 形影响后的附加系数， 杆端弯矩: 12段的杆端剪力 : 再由刚性边段的平衡条件，可求出12梁端的弯矩，即梁端约束弯矩系数为: 6.7 剪力墙设计 1开洞剪力墙的破坏形态 连梁的刚度及抗弯承载力大 大小于墙肢的刚度和抗弯承载 力，且连梁具有足够的延性时 ，塑性铰先在连梁端部出现， 待墙肢底部出现塑性铰后，才 能形成图示机构破坏。 当连梁的刚度及承载力 很大时，连梁不会屈服， 这时开洞墙与整体悬臂墙 类似，底层出现塑性铰破 坏。只要墙肢不过早剪坏 ，这种破坏仍然属于有延 性的弯曲破坏。 当连梁的抗剪承载力很 小、首先剪切破坏时，会 使墙肢失去约束而形成单 独墙。只要墙肢塑性铰具 有延性，这种破坏也属于 延性的弯曲破坏。 当连梁刚度和屈服弯 矩较大时，墙肢出现剪切 破坏，是一种脆性破坏。 2延性剪力墙设计原则 （1）强墙弱梁 （2）强剪弱弯 （3）限制墙肢的轴压比和墙肢设置边缘构件 （4）加强重点部位 （5）连梁特殊措施 3控制截面 n墙底截面; n墙厚改变处； n墙混凝土强度改变处； n墙配筋量改变处 4剪力墙正截面承载力计算 基本假定： (1) 截面变形符合平截面假定； (2) 不考虑受拉混凝土的作用； (3) 受压区混凝土的应力图用等效矩形应力图替换， 应力达到1fc； (4) 墙肢端部的纵向受拉、受压钢筋屈服； (5) 从受压区边缘算起1.5x范围以外的受拉竖向分布 钢筋屈服并参与受力计算。 弯矩设计值的取值： 一级抗震等级的剪力墙，应控 制塑性铰出现部位，对一级抗震等 级的剪力墙的设计弯矩包络线作了 近似的规定： 1. 底部加强部位及其上一层应按墙 底截面组合弯矩计算值采用; 2. 其他部位可按墙肢组合弯矩计算 值的1.2倍采用。 4剪力墙斜截面承载力计算 （1）剪切破坏形态 1）剪拉破坏 2）剪压破坏 3）斜压破坏 4）剪切滑移破坏 （2）剪力设计值的的调整 一、二、三级抗震等级剪力墙底部加强部位都 可用调整系数增大其剪力设计值，四级抗震等级 及无地震作用组合时可不调整。 式中，V考虑地震作用组合的剪力墙墙肢底部加 强部位截面的剪力设计值； Vw考虑地震作用组合的剪力墙墙肢加强部 位截面的剪力计算值； vw剪力增大系数，一级1.6，二级1.4，三级 1.2 （3）受剪承载力计算方法 通过构造措施防止发生剪拉破坏或斜压破坏，通过计 算确定墙中水平钢筋截面面积，防止发生剪压破坏。 1）偏压剪力墙斜截面受剪承载力计算公式 无地震作用组合时： 有地震作用组合时： 式中，N剪力墙的轴向压力设计值，抗震设计时，应考虑地震作用效 应组合；当N大于0.2fcbwhw时，应取0.2fcbwhw； A剪力墙截面面积； AwT形或I形截面剪力墙腹板的面积，矩形截面时应取A； 计算截面处的剪跨比；计算时，当小于1.5时，取1.5；当大 于2.2取2.2；当计算截面与墙底之间的距离小于0.5hw0时，按距墙底0.5hw0 处的弯矩值与剪力值计算； s剪力墙水平分布钢筋的间距。 2）偏拉剪力墙斜截面受剪承载力计算公式 无地震作用组合时 上式右端的计算值小于 时，取等于 。 有地震作用组合时 上式右端方括号内的计算值小于 时，取等于 。 3）水平施工缝处受剪承载力验算方法 当N为轴向压力时 当N为轴向拉力时 式中，Vwj水平施工缝处的剪力设计值； N水平施工缝处考虑地震作用组合的轴向力设计 值； As剪力墙水平施工缝处全部竖向钢筋的截面面积 （包括腹板内的竖向分布钢筋、附加竖向插筋以及端部暗 柱和翼柱内竖向钢筋的截面面积）。 6墙肢构造要求 （1）混凝土强度等级 不低于C20 （2）最小截面尺寸 墙肢的截面尺寸应满足承载力的要求，最小墙厚要求和剪 压比限值的要求。 （3）分布钢筋 墙肢应配置竖向和横向分布钢筋，分布钢筋的作用：抗 剪、抗弯、减少收缩裂缝。 （4）轴压比限值 与柱相同，轴压比是影响墙肢抗震性能的主要因素之一 ，轴压比大于一定值后，延性很小或没有延性。 （5）边缘构件 剪力墙截面两端设置边缘构件是提高墙肢端部混凝土极 限压应变、改善剪力墙延性的重要措施。 （6）钢筋连接 6.8 连梁设计 1连梁的破坏形态 （1）弯曲破坏 连梁跨高比较大时，连梁以受弯为主，梁端可能 出现塑性铰，最后弯曲破坏。 （2）剪切破坏 连梁跨高比不大（lb/hb2），除梁端容易出现斜 裂缝，当抗剪能力不足或截面剪应力过大时，出 现剪切破坏，也可能是弯曲屈服以后的剪切破坏 。 2连梁受力和变形特点 n受力特点： 剪力墙中的连梁通常