建筑剪力墙结构

建筑剪力墙结构9.1剪力墙的概念和结构效能剪力墙结构是利用建筑物的外墙和永久性内隔墙的位置布置钢筋混凝土承重墙的结构。剪力墙既能承受竖向荷载,又能承受水平力。一般来说,剪力墙的宽度和高度与整个房屋的宽度和高度相同,宽达十几米或更大,高达几十米以上。而它的厚度则很薄,一般为160～300mm,较厚可达500mm。图9.1剪力墙结构平面布置图9.2剪力墙的变形由于受楼板跨度的限制,剪力墙结构的开间一般为3～8m,适用于住宅、旅馆等建筑。剪力墙结构采用现浇钢筋混凝土,整体性好,承载力及侧向刚度大。合理设计的延性剪力墙具有良好的抗震性能。在历次地震中,剪力墙的震害一般比较轻。剪力墙结构的适用高度范围大,10～30层的住宅及旅馆都可应用。在剪力墙内配置钢骨,成为钢骨混凝土剪力墙,可以改善剪力墙的抗震性能。剪力墙结构平面布置不灵活,空间局限,结构自重大。图9.1是剪力墙结构平面布置的示意。在侧向力作用下,剪力墙结构的侧向位移曲线呈弯曲型,即层间位移由下至上逐渐增大,如图9.2所示。剪力墙结构主要由墙肢组成,连接墙肢的是连梁。由于墙肢承受比较大的水平力,在墙肢端部容易形成集中的拉力和压力。因此,在墙肢受力的端部经常设计为暗柱,以承受集中荷载作用。剪力墙是平面构件,在其自身平面内有较大的承载力和刚度,平面外的承载力和刚度小,结构设计时一般不考虑平面外的承载力和刚度,计算模型如图9.3所示。剪力墙结构体系主要有:框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框支剪力墙结构、筒体结构4大类。本章主要介绍剪力墙结构。图9.3剪力墙计算模型9.2剪力墙结构体系的类型、特点和适用范围▶9.2.1剪力墙的形状剪力墙的横截面(即水平面)一般是狭长的矩形。有时将纵横墙相连,则形成工字形、Z形、L形、T形等,如图9.4所示。图9.4剪力墙的截面形式▶9.2.2剪力墙的布置(1)剪力墙结构的平面布置宜简单、规则剪力墙宜沿两个主轴方向或其他方向双向布置,两个方向的侧向刚度不宜相差过大;剪力墙应尽量拉通、对直,不同方向的剪力墙宜分别联结在一起,以具有较好的空间工作性能。抗震设计时,不应采用仅单向有剪力墙的结构布置,宜使两个方向的侧向刚度接近。(2)剪力墙结构应具有适宜的侧向刚度由于剪力墙具有较大的侧向刚度和承载力,为充分利用剪力墙的能力,减轻结构自重,增大结构的可利用空间,剪力墙不宜布置得太密,使结构具有适宜的侧向刚度;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。(3)剪力墙宜自下到上连续布置,避免刚度突变允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级,使侧向刚度沿高度逐渐减小。如果在某一层或几层切断剪力墙,易造成结构沿高度刚度突变,对结构抗震不利。(4)剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置剪力墙洞口的布置,会极大地影响剪力墙的受力性能。剪力墙的门窗洞口上下对齐、成列布置时,能形成明确的墙肢和连梁,应力分布比较规则,又与当前普遍采用的计算简图较为符合,设计结果安全可靠;宜避免造成墙肢宽度相差悬殊的洞口设置;错洞剪力墙和叠合错洞墙都是不规则开洞的剪力墙,其应力分布比较复杂,容易产生剪力墙的薄弱部位,常规计算无法获得其实际应力,构造比较复杂,应尽量避免。(5)剪力墙结构应具有较好的延性图9.5较长剪力墙分段示意图细高的剪力墙(高宽比大于3)容易设计成具有延性的弯曲破坏剪力墙,从而可避免发生脆性的剪切破坏。因此,剪力墙不宜过长。当剪力墙的长度很长时,可通过开设洞口将长墙分成长度较小的墙段,使每个墙段成为高宽比大于3的独立墙肢或联肢墙,如图9.5所示,分段宜较均匀。用以分割墙段的洞口上可设置跨高比较大、约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比一般宜大于6)。此外,当墙段长度(即墙段截面高度)很长时,受弯后产生的裂缝宽度会较大,墙体的配筋容易拉断,因此墙段的长度不宜过大,我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定墙段长度不宜大于8m。(6)注意剪力墙平面外受弯时的安全问题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,会造成墙肢平面外承受弯矩,而一般情况下并不验算墙的平面外刚度及承载力,因此应注意剪力墙平面外受弯时的安全问题。当剪力墙与其平面外方向的楼面大梁连接时,会使墙肢平面外承受弯矩,当梁截面高度大于约2倍墙厚时,刚性连接梁的梁端弯矩将使剪力墙平面外产生较大的弯矩,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,增大墙抵抗平面外弯矩的能力,以保证剪力墙平面外的安全。除了加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力外,还可采取减小梁端弯矩的措施。对截面较小的楼面梁也可通过支座弯矩调幅或变截面梁实现梁端铰接或半刚接设计,以减小墙肢平面外的弯矩。9.3剪力墙的形状和位置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5类。(1)整截面墙当剪力墙无洞口,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,这类墙体称为整截面墙,如图9.6(a)、(b)所示。图9.6剪力墙的分类(2)整体小开口墙当剪力墙的洞口稍大,且洞口沿竖向成列布置,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,如图9.6(c)所示。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,截面变形仍接近于整截面墙。(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,如图9.6(d)所示;当开有多列洞口时称为多肢墙。(4)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,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,如图9.6(e)所示。(5)错洞墙和叠合错洞墙它是指不规则开洞的剪力墙。这类剪力墙受力较复杂,一般得不到解析解,通常借助于有限元法等数值计算方法进行计算,具体计算方法本书不做叙述。9.4剪力墙的主要构造要求▶9.4.1剪力墙的厚度和混凝土等级剪力墙的厚度一般根据结构的刚度和承载力要求确定,此外墙厚还应考虑平面外稳定、开裂、减轻自重、轴压比的要求等因素。《高层建筑混凝土结构技术规程》为了保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能,规定了剪力墙截面的最小厚度,也是高层建筑剪力墙截面厚度的最低要求,如表9.1所示。表9.1剪力墙截面最小厚度单位:mm在一些情况下,剪力墙厚度还与剪力墙的无支长度有关。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。无支长度小,有利于保证剪力墙出平面的刚度和稳定,墙体厚度可适当减小。为了保证剪力墙的承载能力及变形性能,混凝土强度等级不宜太低,宜采用高强高性能混凝土。剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C20;筒体结构中剪力墙的混凝土强度等级不宜低于C30。▶9.4.2剪力墙轴压比限值当偏心受压剪力墙轴力较大时,截面受压区高度增大,与钢筋混凝土柱相同,其延性降低。研究表明,剪力墙的边缘构件(暗柱、明柱、翼柱)由于横向钢筋的约束改善了混凝土的受压性能,增大了延性。为了保证在地震作用下钢筋混凝土剪力墙具有足够的延性,《高层建筑混凝土结构技术规程》规定:抗震设计时,一、二、三级抗震等级剪力墙墙肢在重力荷载代表值作用下的轴压比N/(fcA)不宜超过表9.2的限值。为简化计算,规程采用了重力荷载代表值作用下轴力设计值(不考虑地震作用效应组合),即考虑重力荷载分项系数后的最大轴力设计值,计算剪力墙的名义轴压比。表9.2剪力墙轴压比限值注:N为重力荷载代表值作用下剪力墙墙肢的轴向压力设计值;A为剪力墙墙肢的全截面面积;fc

为混凝土轴心抗压强度设计值。9.5短肢剪力墙与异形柱结构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。对于采用刚度较大的连梁与墙肢形成的开洞剪力墙,不宜按单独墙肢判断其是否属于短肢剪力墙。短肢剪力墙有利于减轻结构自重和建筑布置,在高层住宅建筑中应用较多。异形柱结构是近年来发展起来的一种新型结构。截面几何形状为L形、T形、十字形或Z形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱,称为异形柱,如图9.7所示。异形柱的柱肢宽度与建筑的填充墙等厚,避免柱楞凸出,把建筑美观和使用的灵活有机地结合。在异形柱结构体系中,一般角柱为L形,边柱为T形,中柱为十字形,当柱网轴线发生偏移时,采用Z形截面柱作为转换柱。在实际工程中异形柱已经被广泛地用于住宅建筑中。图9.7钢筋混凝土异形柱截面由于短肢剪力墙在水平荷载下沿建筑高度可能有较多楼层的墙肢会出现反弯点,受力特点接近异形柱,又承担较大轴力与剪力,其抗震性能较差,且地震区应用经验不多,为安全起见,我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定:抗震设计时,高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙;B级高度高层建筑以及抗震设防烈度为9度的A级高度高层建筑,不宜布置短肢剪力墙,不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构(具有较多短肢剪力墙是指在水平地震作用下短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30%);当采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构时,水平地震作用下短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总地震倾覆力矩的50%,且在某些情况下建筑的最大适用高度还应适当降低。9.6工程实例及概况1)结构概况1972年初,为扩大对外贸易,满足广交会的需求,广州市决定兴建白云宾馆(见图9.8)。历经4年至1976年初,广州白云宾馆基本建设完成,建筑总高114.05m,为当时中国的第一高楼。该建筑采用高低层结合的空间处理方式,充分发挥了建筑与结构性能的配合。主楼位于建设地段的西北角,地质条件较好,地下2层,地上33层。首层为公共活动和管理服务设施,2～3层为客房层,4～26层为标准客房层,27～28层为各种套房客房层,29层为多功能厅,30层为天台餐厅,31层为小餐厅及观测用房,32～33层为设备层。图9.8广州白云宾馆2)结构分析基础采用钻孔桩,基桩沿墙轴布置,嵌入基岩50～100cm,桩长300～1700cm不等,结构区段长70m。顶层最大风力计算为2.8kN/m2,地震烈度按7度设防。考虑到圬工粉刷和填充间墙刚性大,变形较敏感,由横向风