低层轻钢住宅剪力墙设计与构造方案（共16页）

1、- 0 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 0 浅议低层轻钢住宅剪力墙设计与构造浅议低层轻钢住宅剪力墙设计与构造.0 0 摘要摘要 .0 1 绪论绪论.1 2 低层轻钢房屋的结构特点低层轻钢房屋的结构特点.1 2.1 我公司轻钢别墅项目概况.1 2.2 冷轧轻钢住宅骨架的基本构成.2 2.3 轻钢结构特殊的几个结构特点.2 3 本项目遇到的有关剪力墙问题本项目遇到的有关剪力墙问题.6 4 轻钢结构低层住宅设计荷载分析（注轻钢结构低层住宅设计荷载分析（注 4）.7 4.1 结构设计准则与方法.7 4.2 房屋主体侧向风荷载和屋面风吸力.7 4.3 水平地震力.7 4.4 水平地震力的分配.8

2、5 水平力的传递路径分析：水平力的传递路径分析：.8 5.1 水平剪力部分：.8 5.2 剪力墙两侧的轴向力传递路径：.9 6 现场有关剪力墙的问题解决方法现场有关剪力墙的问题解决方法.10 6.1 一层剪力墙问题的处理方法：.10 6.2 二层剪力墙问题的处理方法：.11 6.3 已施工的剪力墙处理方法：.11 7 抗震剪力墙几个方案的比较抗震剪力墙几个方案的比较.12 8 结束语结束语.14 9 参考文献表参考文献表.14 10附录附录.14 - 1 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 1 浅议低层轻钢住宅剪力墙设计与构造浅议低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 摘要摘要 冷弯薄壁型钢轻钢住宅在

3、发达国家应用较多，技术已经成熟，在我国尚 处于起步阶段，目前缺乏相应的理论研究及试验，没有相应的技术标准， 缺少配套的材料，缺少专业人才，这些问题给轻钢住宅的推广带来很多困 难。本文就笔者在实践中遇到的剪力墙设计与做法不合理的问题（在与多 个单位交流中发现，对此问题普遍认识不足、概念不清，普遍存在缺少连 接措施的情况） ，从轻钢结构特点及设计荷载分析入手，作了较深入的理论 探讨，提出了相应的解决办法，在工程实践中反映较好。本文剖析了轻钢 结构的结构特殊性及水平力传力特点，分析了工程中存在的设计及施工问 题，提出了抵抗水平力的详细传递路径，从理论上提出了剪力墙必须具有 的传力构造措施及其应注意的

4、问题。笔者结合工程实践重点分析了容易忽 视的薄弱环节，统一了认识，提出了解决原则及解决办法，弥补了设计的 不足，纠正了工程中的错误。本文也总结了遇到的三种剪力墙做法，虽本 人并不完全赞同（但缺乏试验数据，无法作进一步探讨） ，但都是一种积极 探索，可供大家参考及讨论。 关键词关键词 轻钢结构/剪力墙/横撑墙列/ 龙骨/托梁/蒙皮/镀锌自钻钉/连接 1 绪论绪论 近几年国内美式轻钢别墅的项目日渐增多，很多单位及专家在积极进行引 进、消化、研究及推广工作，但相比传统的结构形式，依然显得问题多多，困 难重重。譬如缺少实验研究、缺少资料、缺少专业人才、缺少配套材料、没有 规范、甚至与现有防火规范有冲突

5、、没有一个准确的力学模型等等。笔者有幸 参加了一个轻钢别墅项目（美国 BORM 公司进行轻钢结构设计）的开发，出于工 程开发的需要，我们请专家、查资料、开研讨会，进行了一系列的研究探讨， 包括建筑做法、防水构造、房屋的呼吸、装饰做法、结构节点、抗震、保温隔 声等等。实践中取得了很多的经验教训，也看到了更多的问题有待研究解决。 - 2 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 2 这里笔者仅就“低层轻钢住宅剪力墙设计及构造”进行总结及探讨，以便 抛砖引玉，更好地交流、学习和提高。本人水平有限，文章中定有错误与不足， 请各专家不吝赐教，批评指正。 2 低层轻钢房屋的结构特点低层轻钢房屋的结构特点 2.

6、1 我公司轻钢别墅项目概况我公司轻钢别墅项目概况 本项目为大型别墅社区，别 墅地下部分为砼基础或砼地下室， 地上部分为二层轻钢结构，无阁楼， 轻钢部分建筑面积为 300 至 560 平 米，平面尺寸基本为 15m*18m15m*21m13m*18m 左右， 建筑造型非常复杂。龙骨及托梁计 算间距为 610mm。其结构特点是错层、室内上下墙体不对齐、外墙开洞较多、 室内有挑高空间等，结构处理难度较大。 2.2 冷轧轻钢住宅骨架的基本构成冷轧轻钢住宅骨架的基本构成 为便于说明问题及易于理解，这里引用一个“典型的冷轧住宅轻钢骨架示意图” 。 底梁 屋盖 屋脊构件 屋面梁 支座加劲件 非承重墙体 角部

7、构件 同一平面内的构件 扁钢带拉条 基础连接 墙体构件 支座节点 天花梁 屋面板 墙柱 过梁 主柱 墙板 楼面梁 内承重墙体 楼面构件 刚性支撑件 我项目别墅外观我项目别墅外观 - 3 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 3 (注注 1) 典型的冷轧住宅轻钢骨架示意图 2.3 轻钢结构特殊的几个结构特点轻钢结构特殊的几个结构特点 1) 板肋结构板块 轻钢房屋基本由墙体板 块、楼层板块用镀锌自钻钉 及连接件拼装组成。墙体板 块由墙体龙骨和覆盖板材用 钉子连接组成（板材一般选 用 OSB 板、木夹板、石膏 板楼层板块由托梁、OSB 板 或木夹板组成。龙骨和板材 通过钉子连接形成板肋结构 板块，能

8、够承受垂直和水平 荷载。 2) 蒙皮效应 所谓蒙皮效应是指压型 钢板（本文指覆盖板材）在 其平面内的抗剪能力，可称为受力蒙皮作用。如将压型钢板与构件进行可 靠连接，则此蒙皮效应可使围护结构同时成为结构的重要组成部分，参与 整个结构体系工作，为与之相连的受压、受弯压构件提供连续侧向支撑， 从而提高这种构件的刚度及稳定承载力。 （注注 2） 各板块是“龙骨+板材”形成“蒙皮”的技术特征，其力学模型是墙- 柱（或楼梁）不分，与传统的墙-柱分离的砖混结构有着完全不同的 力学特征。 3) 盒子概念 风速145km/h 或地震设计等级为级或更大的地区（强震区） ，抗震 做法要求将建筑物以横撑墙列和膈板将结

9、构分化处理，如仍不满足要求， 完成的轻钢结构完成的轻钢结构 施工中的轻钢结构施工中的轻钢结构 - 4 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 4 则需按一般工程惯例设计及建造。 在强震区，轻钢房屋由于横撑墙列的布置，在结构分析方面将结构划分 为几个盒子，独立进行结构分析。每个盒子须满足一定的纵横比，详见 “横撑墙列”部分。 4）横撑墙列 (注注 3) 横撑墙列是轻钢结构的一个重要概念，这里做一下重点介绍。 强震和强风区限定强震和强风区限定 在强震区，干墙（stemwall）的高度(从基础顶部到墙顶部)不能超过 4ft(1220mm).楼面和屋面膈板（diaphragm）的长宽比不能小于 0.25

10、：1 或大 于 4：1。这个长宽比应由横撑墙列（braced wall lines）之间的间距（膈板 跨度）除以隔板横撑墙列方向的宽度来确定。楼面和屋面膈板平面局部突 出尺寸不应超过 4ft(1220mm).担当楼面和屋面膈板平面局部突出尺寸超过 4ft 时，局部突出部分应当作为独立部分进行分析，由横撑墙列来分隔。 （见图 1 建筑形状） 所有外墙和特别指定的内墙应布置横撑墙列，当横撑墙列将建筑分成两 部分时，该横撑墙列铺设的结构支撑墙板的长度应等于这两部分独立计算 所需的支撑墙板长度之和。楼面膈板和屋面膈板的垂直错开位置应由横撑 墙列支撑。横撑墙列从基础起到需要布置横撑强烈的最顶层应是连续的

11、且 处于同一垂直平面内，并且在水平方向不应错位。 强震和强风区的不规则建筑强震和强风区的不规则建筑 在强震区，不规则建筑应根据规范设计抗侧体系，如果没有相应规范可 - 5 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 5 以利用，可以按通过审查的工程惯例来设计。当建筑出现以下情况之一时， 应被认为是不规则的：(参见图 2、3) 需要设置横撑墙列，外部横撑墙列从基础到最顶层不在同一个垂直 面上。 楼板或屋面的某一部分边沿没有横撑墙列提供侧向支撑。 例外：没有支撑在型或型横撑墙体的部分楼面或屋面，容许延 伸到横撑墙列外不大于 6ft（1829mm）的位置 楼面或屋面开孔超过 12ft(3658mm),或超

12、过楼面或屋面最小尺寸的 50% 楼面局部出现垂直错位，且没有横撑墙列支撑时 横撑墙列未在两个正交方向同时布置。 基础以上某一层横撑墙列有不同的支撑系统组成。 - 6 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 6 另可参见丁成章著的低层轻钢骨架住宅设计、制造与装配102 至 111 页“地震高发区和飓风地区的拉牢墙和隔间”部分。其中讲述了型拉 牢墙和型拉牢墙（拉牢墙即横撑墙列）的有关概念、规定及做法，可作 为上述介绍的补充，这里不再引用。 横撑墙列可视作由剪力墙组成，剪力墙的设置须满足一定的高宽比（限定 在 2:1，最小为 4:1，最短为 1020mm,本文中的 HP 构件除外）. 3 本项目遇到的

13、有关剪力墙问题本项目遇到的有关剪力墙问题 在我们做出巨大努力完成样板间后，笔者发现在剪力传递方面存在较大问 题。具体情况如下： 1)屋面系统（包括 OSB 板、屋面斜梁及楼层梁）与二层外墙剪力墙的连 接很弱，仅以 ST4.2610mm 钉子(8#钉)构造连接，且梁间缺少支撑块， 难以保证屋面梁的侧倾，难以传递水平力。屋面系统与剪力墙的连接无 加强措施，与非剪力墙的连接是一样的。 2)一层的外墙剪力墙或 HP 构件(加强钢板剪力支承件，美国 HARDY 公 司产品)与地面的连接很可靠（剪力墙或 HP 构件与地面通过 20mm- 28mm 的螺栓连接两侧以传递轴向力及剪力，剪力墙的底轨上按一定间

14、距设置射钉或锚栓以传递剪力。 ）但一层剪力墙与二层楼面梁及 OSB 板 的连接很弱，仅以 ST4.2610mm 钉子构造连接。 3)一层室内剪力墙与地面的连接很强，与二层的连接几乎不存在。一层室 内剪力墙与二层楼面梁同方向且刚好在一个垂直面内有构造连接 （ST4.2610mm） ，其他情况无连接，无法有效传递水平力。 4)二层室内剪力墙与屋面的连接很弱或不存在，与二层楼面的连接为 ST4.2610mm，剪力及轴向力无法有效传递。 5)一层室内剪力墙与二层内部剪力墙因建筑设计的关系错开的、或二层剪 力墙下方为柱支撑的开敞空间。水平力传递途径断开或无保证，没有特 别的构造措施予以加强。 6)由于预

15、拼装的关系，较长的墙是分段拼装的，在较长的墙中既有剪力墙 - 7 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 7 段（或 HP）又有非剪力墙段，它们之间的连接仅有相邻的墙龙骨竖向 以 ST4.2305mm 连接，在一层墙顶轨处二层楼面或二层墙顶轨与屋面 系统的连接处存在如下问题：墙顶轨是断开的，此处仅靠楼面梁导轨连 接，或此处楼面梁导轨也是拼接处（或是断开的） ，导致水平力无法可 靠传递。 在比对 BORM 图之后发现，BORM 图仅有剪力墙与基础的连接规定以及墙 体板材与龙骨的连接规定，另节点图中由横撑的反映（但不详细） ，对以上问题 的解析几乎没有。其主要问题是剪力墙与楼层的连接很弱，楼层处缺少

16、支撑件 及连接件，难以保证楼层的侧向稳定及有效传递水平力。因此，笔者对此又作 了进一步的探讨。 4 轻钢结构低层住宅设计荷载分析（注 4） 轻型钢结构体系房屋，形成了非常可靠的板肋结构体系，有着很强的抵抗 地震和风等水平荷载以及建筑物自重等各种竖向荷载的作用。这种体系，由于 结构的特殊性，其承受的荷载和作用以及结构传力路径的设计也有其特殊性。 4.1 结构设计准则与方法结构设计准则与方法 结构系统中不应存在太薄弱的环节，确保局部结构间的失效不会快速扩散 而导致结构破坏，因而结构系统和节点应形成一个连续的传力途径，以便将设 计荷载连续地传递到地面。此即结构设计安全性和整体性准则。 4.2 房屋主

17、体侧向风荷载和屋面风吸力房屋主体侧向风荷载和屋面风吸力 钢结构住宅有明确的主抗风系统：水平膈板（楼板和屋面）以及剪力墙体。 作用在主体结构上的风荷载，作用在主体结构上的风荷载，按屋面和墙体的水 平和垂直投影面积分别施加，水平风荷载分别作用在房屋的横向和纵向，屋面 的风吸力作用在屋面的水平投影面积上，方向向上。侧向风荷载可以按从属面 积法向抗剪墙体以及水平膈板上分配，比较精确的方法是假设膈板在平面内是 刚性的，按抗剪墙体的相对刚度分配。 - 8 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 8 4.3 水平地震力水平地震力 简单的方法是采用底部剪力法计算水平地震作用，各层的底部水平地震力 按下式计算：E

18、=0.8(Ss)(Fa)/RWg （说明见附录 2） 4.4 水平地震力的分配水平地震力的分配 作用在各层顶部的地震水平剪力由抗剪墙体承担，设计时要避免出现严重 的扭转作用，同时，也要避免因局部墙体刚度过大而出现部分墙体超载现象。 层间地震水平力向各抗剪墙体分配时，比较常用的方法是按各墙体的从属地震 反应重力代表值的比例分配，也可按刚度分配。 5 水平力的传递路径分析水平力的传递路径分析： 笔者认为：在屋面结构体系中，因蒙皮效应的存在，屋面的整体性得以提 高，但不能将屋面板、支撑斜梁、天花托梁组成的屋面系统视为一个整体来传 递水平力，屋面荷载将从屋面板开始逐层向下传递，垂直方向的楼层梁及屋面

19、梁不能传递水平力。因此，其基本传力路径应如下所述： 5.1 水平剪力部分：水平剪力部分： 屋面荷载屋面 OSB 板屋面梁(仅包括平行方向且与墙体连接斜梁及托梁)或 横撑（托梁间的支撑块，通过钉子上下连接传递）二层墙顶轨剪力墙板 水平剪力传至楼面 OSB 板楼面梁、及其导轨、横撑一层剪力墙顶轨剪力 墙板剪力墙底轨及螺栓基础 从以上剪力传递路径、以一般力学理论及设计经验分析不难作出如下推论： 1)在轻钢结构各构件主要靠钉子及拉带实现连接的情况下，连接各层的钉 子数量/规格（包括首层的剪力螺栓或射钉）是一个很关键的问题，钉 子数量必须保证剪力的有效传递及剪力墙抗剪能力的有效发挥，各层的 钉子数量在层

20、间范围内（剪力墙上部楼层板至剪力墙底轨）因剪力基本 相同而应数量相当； - 9 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 9 2)在屋面梁这一层，当屋面梁与剪力墙垂直时，在传递水平剪力的过程中， 屋面梁难以保证侧向稳定，必须靠加支撑块来实现将屋面板的水平力传 至下面的导轨。同理，二层楼面梁这一层，当楼面梁与剪力墙垂直时， 也必须加支撑块将楼面板的水平力传至下面的导轨; 3)当屋面梁与剪力墙平行且处于同一平面内时，直接以钉子上下连接；当 屋面梁与剪力墙平行但不在同一平面内时，应增加一根梁作上下连接传 递剪力用 ；同理，二层楼面梁这一层，遇到类似情况作类似处理； 4)在室内剪力墙部分，在二层剪力墙（屋

21、面托梁以下部分）与屋面板之间 的空间必须加剪力墙做法，屋面板以下的传递过程及节点处理方式与其 余剪力墙相同。 5)上下剪力墙应尽量对齐，如不对齐，应就近找到传力路径；如二层剪力 墙下方为开放空间，则应特别慎重且经认真计算，且有必要折减剪力 （本人认为此种情况应尽量避免或禁止，如不得已则应在一层设置重钢 框架结构，以就近传递水平力） 6)剪力墙的设置及水平力的分配应根据水平力来源就近设置，就近传递。 剪力墙的型心应与盒子（或隔间/膈间/膈板）荷载重心一致，尽量避免 扭转。 5.2 剪力墙两侧的轴向力传递路径：剪力墙两侧的轴向力传递路径： 屋面荷载屋面 OSB 板屋面梁(包括斜梁及托梁)及横撑（墙

22、上部的/通过 上下连接传递）二层墙顶轨剪力墙板因弯距作用轴向力传至剪力墙两侧 附加柱龙骨（水平剪力传至楼面 OSB 板）将轴向拉力传至一层剪力墙附加柱 龙骨用钢拉带或连接器或锚栓将轴向力传至基础。 从以上剪力墙两侧的轴向力传递路径分析，以及一般力学理论及设计经验 可推出以下结论： 1)轴向力的传递路径较短，较为直接，二层的轴向力应垂直传向一层，然 后传至基础。如二层剪力墙两侧下方因建筑的关系无法设置附加龙骨时， 须特别慎重并找到补救办法，如拉力传递至梁上，在由梁传至一层的龙 骨。否则该剪力墙不能成立。 - 10 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 10 2)二层的轴向力传递至一层时，因跨越二

23、层的楼面层，因此需考虑附加措 施，即用钢拉带或连接器将轴向拉力传至一层剪力墙附加柱龙骨;轴向 压力直接传递，但须于楼层梁部位增加小短柱.每个节点都必须考虑拉 力及压力两种情况，即必须同时设置小短柱和钢拉带或连接器。 3)二层的剪力墙与一层的剪力墙长短不一致，附加龙骨柱对不齐，则应在 一层单独设置附加龙骨及相关连接件（拉带、小短柱、锚栓等） ，保证 轴向力传至基础。 6 现场有关剪力墙的问题解决方法现场有关剪力墙的问题解决方法 笔者根据上述的理论分析（另，每个 ST4.2 钉子最大约传递 100kg 水平力） ， 经与设计单位商讨取得一致意见后，决定对未施工的及已施工的分别采取以下 办法处理：

24、6.1 一层剪力墙问题的处理方法：一层剪力墙问题的处理方法： 1)一层剪力墙顶端必须设 BLOCK（支撑块或横撑，下同）或楼层格栅梁 （或称托梁同楼层相邻梁规格，下同）与楼面板(或屋面板)连接。 一层剪力墙顶端连接示意图 2)一层 HP 加强板剪力墙与楼面板连接做法参见图纸节点图(36/SD4)和 (41/SD4) - 11 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 11 6.2 二层剪力墙问题的处理方法：二层剪力墙问题的处理方法： 二层剪力墙应连至屋顶，各层打钉应匹配 1)二层剪力墙均伸至屋顶，顶端必须与屋面板连接, 剪力墙顶要设屋面梁 （屋面梁规格同相临梁）或设 BLOCK。 2)二层剪力墙两

25、边端柱必须与对应的下层柱或梁采用拉带和挤压模块连接， 做法见(1/SD4)、(2/SD4)、(3/SD4)、(14/SD4)、(22/SD4)。 6.3 已施工的剪力墙处理方法：已施工的剪力墙处理方法： 已施工的，与屋顶连接困难时，斜梁下加板连接 1)当剪力墙与屋面梁垂直时，增设 OSB 板（宽610，长同墙长） ，按上 图处理： 2)当剪力墙与屋面梁平行时，增设 OSB 板（宽610，长同墙长） ，按如 下方法处理： - 12 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 12 7 抗震剪力墙几个方案的比较抗震剪力墙几个方案的比较 在完成了样板间之后，我们进行了一系列的优化工作，其中包括墙体做法 的

26、改良，通过开专家会及听厂家汇报等方式，对抗震剪力墙进行多单位多方案 的比较，虽最终因感觉新方案依据不够充分而未采用，但总的来说，都是基本 可行的，所以在此一并总结及介绍，亦请专家提供宝贵意见，以利日后应用中 的改进和提高。 进行此项工作的几个主要考虑要素： 1）因国家防火规范的限制，参考其他项目防火试验的结果分析，外墙 蒙皮采用的 OSB 板对防火不利，寻求一种替代方法，该工作主要针 对外墙而来。 2）因原方案采用钢板剪力墙、HP 构件及 20-28mm 的螺栓，希望证实 一是能否以拉带代替钢板以降低造价，二是剪力墙分布能更均匀些， 采用较小的螺栓（这里把螺栓大小作为衡量分配水平力大小的一个

27、标志） ，对此种结构来说可能更合理些。 - 13 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 13 剪力墙方案比较剪力墙方案比较 比较比较 项目项目 BORM 方案比较方案比较北新方案北新方案绿筑方案绿筑方案 理论基础理论基础 1、 依据北美设计标准 2、 属一般做法之一，采 用 ATM 公司产品 （HP） 3、 水平力计算不考虑外 蒙皮及内墙石膏板 1、 房屋体系来源于日本 2、 主要以石膏板墙取代剪 力墙及外蒙皮，设计数 据依据西安科技大学的 研究试验。 3、 考虑该体系整体抗震性 能较好，对地震力进行 折减 1、 引进北美房屋体系 2、 建议采用钢拉带取代 剪力墙钢板及外蒙皮， 计算方法用有限

28、元分 析法 3、 水平力计算不考虑外 蒙皮及内墙石膏板 做法做法 1、 内外剪力墙采用钢板 剪力墙，外蒙皮采用 通用 OSB 板，实际工 程采用硅酸钙板 2、 在建筑开洞较多的外 墙，无法采用钢板墙 的，用 HP 构件 3、 轴向力螺栓采用 20- 27mm 1、 假定楼层板平面内刚度 很大，内外承重墙均可 作为剪力墙 2、 剪力墙蒙皮采用双面石 膏板，或采用单面 OSB 板+双面石膏板。 3、 轴向力螺栓采用 16、18mm 1、 用钢拉带取代内外剪 力墙钢板及外蒙皮 2、 拉带规格及螺栓规格 依据计算求得 承载能力承载能力 1、 89 龙骨、单面 0.7mm 钢板、边界钉 ST4.850m

29、m 取值 9.4kn/m,ST4.8100m m 取值 8kn/m,双面钢 板取值等于单面钢板 取值的 2 倍。 2、 HP 依据厂家数据 1、 89 龙骨、双面 12mm 石膏板抗剪力取值 5kn/m 2、 89 龙骨、单面 9mmOSB 板+双面石膏 板抗剪力取值 9.7kn/m 1、 拉带承载力及规格依 据计算求得 优点优点 1、通用标准，依据充分1、 剪力墙分布均匀，按水 平力来源就近传递，符 合该体系特点 2、 用钢量省，较为经济 1、传力路径简单明确 2、用钢量省，较为经济 不足不足 1、 分散的水平力要集中 到局部墙体 2、 用钢量较多 3、 实际工程中以硅酸钙 板代替 OSB 板，依据 不充分 1、 依据研究试验，尚未得 到公认成为行业标准 2、 依据轻型木结构规范规 定度抗震区不能用石 膏板作剪力墙 1、 拉带取代蒙皮依据不 充分 - 14 -低层轻钢住宅剪力墙设计与构造 16 14 8 结束语结束语 在完成本文后，笔者深深感到，许多问题因缺乏实验数据而难以深入探讨， 仅剪力墙问题就需要专家作很多基础研究工作，何况整个体系的研究及规范， 对于有责任感的