高层混凝土剪力墙结构设计.doc

毕业论文(土木工程)高层混凝土剪力墙结构设计摘要随着国民经济的不断增长，城市化步伐急速加快，基础设施及人类居住、工作生 活场所设施建设也逐步加快，对于小高层建筑的剪力墙结构给于更大的关注。本设计是 山东省莱阳市阳光城小区小高层住宅楼，根据建筑总体规划和设计任务书的要求，对建 筑的平面、立面进行合理的设计，对高层建筑的防火采取了有效的措施。选用剪力墙结 构， 并进行合理的结构布置。 根据有关的设计规范和规定， 计算结构的重力荷载代表值、 风荷载、地震荷载以及竖向荷载作用下的内力、剪力墙的刚度特征值，验算结构的层间 位移和顶点位移，按照各片剪力墙的刚度，对于水平荷载进行分配，考虑无地震和有地 震作用下的内力组合，根据最不利的内力进行结构构件的截面设计，并采取构造措施。 关键词：剪力墙结构；抗侧刚度；等效刚度；刚度特征值；轴压比目录第1章 前言 1 第2章 建筑设计 22.1 平面设计32.2 竖向交通及层高3 2.3 立面造型4 第3章 结构设计 43.1 结构方案及4 3.2 基本假定及计算简图4 3.3 荷载计算5 3.4 减少温度影响的措施5 第 4 章 结构分析 54.1 建筑方案的确定对结构的影响 6 4.2 水平荷载 6 4.3 截面几何特征6 4.4 主体结构在水平荷载作用下的协同工作7 4.5 内力计算及组合 8 4.6 截面设计8 第5章致谢9 参考文献9 第 1 章 前言 随着市场经济的发展，竞争的日益激烈，中国加入世界贸易组织，人们逐渐认识到 建设计及施工的重要性，建筑设计及施工进行的好坏，直接影响消费者的人身安全与财 产稳定。然而，作为投资者要想做出让广大消费者认可并广为接受的设计，他们已不在 满足于传统的建筑理念，而对于西方的建筑风格广为借鉴，吸起精华，与中结合。本文 就有关小区小高层的剪力墙进行设计调查，内容组成等相关问题提出以下粗浅的看法。第2章 建筑设计 高层建筑是社会经济和科学技术发展的产物，它的发展与民用建筑的发展密切相 关。建筑物在空中发展可以缩短道路以及各种管线设施的长度，从而大量节约地域投资 总额， 在经济上具有优越性。 高层建筑可以增大人们的密集程度， 缩短互相联系的距离， 把横竖向交通联系在一起，提高了工作效率。另外，高层建筑能提供更多的地面自由空 间，作为绿化休息场所，有利于美化环境。 2.1 平面设计 住宅楼根据使用要求以规范规定，进行合理的平面布局。共 11 层，无地下室，平 面布置包括底层、标准层、顶层以及设备层。 2.2 竖向交通及层高 (1）电梯布置原则 集中布置：电梯为出入建筑物经常使用的工具，因此宜设置在人们最易看到的 地方，从运行效率、缩短侯梯时间以及降低建筑费用来讲电梯应集中布置； 使用方便：根据电梯的使用效率，可将电梯布置在建筑物的核心。 分层分区：应将各电梯规定服务区，使用服务区等。 分隔：主要通道要与电梯隔开，避免人流高峰时相互影响，同时，电梯井应避 开主要通道而设在凹处。 （2）竖向交通 本住宅根据规范要求每单元设置直通屋顶的防烟疏散楼梯间，分区明确，布局合 理，互不干扰，充分满足了整幢楼的建筑垂直方向的人流、物流的需要，并符合高层建 筑防火规范的要求。 本住宅楼楼单元设置一部电梯，电梯的各项指标如下： 型号规格：GVF-800-C060额定负载：800kg 控制系统：微机控制交流变频调压调速系统 （三）层高确定 根据规范要求并结合实际工程需要，本住宅楼选取层高为 2.9m，电梯机房和水箱 间的层高均为 4.5m。 2.3 立面造型 立面设计时首先确定各部分的比例关系，考虑建筑整体的几个主要面的统一，相 邻的立面之间的连续与协调，然后着重分析立面的处理，门窗的调整安排，最后对入口 建筑装饰等作进一步处理。 节奏的韵律和虚实对比，是建筑立面有表现力的重要设计方法。建筑立面上，相 同构件或门窗作用规律的重复变化，给人们在视觉上得到类似音乐诗歌中节奏韵律的感 受效果。立面的节奏感，在门窗的排列组合上，墙面的划分中表现得较为突出。 材料质感和色彩的选择、配置是使建筑立面进一步取得丰富和生动效果的又一重 要方面。本住宅楼 11 层（不包括电梯机房以及水箱间），建筑高度 38.50m。本设计从 整体入手，力求创造出一个新颖大方、突出小区特点的建筑，对建筑的四个立面均作了 合理的设计，利用构架、凹凸、虚实对比等手法，丰富细部处理。第3章 结构设计3.1 结构方案及布置 本建筑为阳光城小区小高层住宅楼，建筑的层数为 11 层（无地下室）,建筑面积 为 13000 左右，层高为 2.9m。根据上述要求并结合规范的相关规定，选择短肢剪力墙 和一般剪力墙共同抵抗水平作用的结构体系。根据住宅规范的要求，本住宅楼的卧 室的开间选取为 3.3m 或 3.6m，卧室的进深选取 4.5m 或 4.8m。 3.2 基本假定及计算简图 （一）基本假定 平面结构假定 本工程平面为正交布置，可认为每一方向的水平力只由该方向的剪力墙承担，垂 直于该方向的剪力墙不受力。因此在结构计算时不考虑纵横墙的共同工作。 在自身平面内刚性假定 由于剪力墙在自身平面内的刚度很大，而平面外的刚度很小，因而忽略剪力墙平面外的刚度。 对于结构体型规整、剪力墙布置对称均匀，结构在水平荷载作用下不计扭转的影响。 在以上基本假定的前提下，将空间剪力墙结构分解成横向和纵向两种平面关系： 将所有剪力墙综合在一起形成总剪力墙；楼板的作用是保证各片平面结构具有的相同的 水平位移。 （二）计算简图 在水平作用下，剪力墙之间由连梁连接，连梁对墙产生约束弯矩，墙肢的刚度相 对大一些，连梁相对弱一些。 在水平地震的作用下，把地震作用简化成倒三角形荷载以及顶点集中力后，再将 内力按照各片剪力墙的刚度进行分配。 在水平风荷载的作用下，把风荷载作用简化成倒三角形荷载和均布荷载后，再将 内力按照各片剪力墙的刚度进行分配。 3.3 荷载计算 高层建筑水平力是起控制作用的荷载：包括地震作用和风荷载。本建筑高度小于 40m，且质量和刚度沿着建筑物高度变化比较均匀，因此可采用底部剪力法计算水平地 震作用。 竖向荷载主要是恒荷载（结构自重）和活荷载（使用荷载）。结构自重可由构件 截面尺寸直接计算，建筑材料单位体积重量按荷载规范取。活荷载按荷载规范取值，楼 面活荷载折减系数按荷载规范取用。 3.4 减少温度影响的措施 （1）在顶层、底层和内纵墙端开间等对温度变化影响较大的部位提高配筋率； （2）顶层加强保温隔热措施； （3）每 30-40m 间距留出施工后浇带，宽带为 0.8-1m。第四章 结构分析4.1 建筑方案的确定对结构的影响 建筑方案要求满足总体规划的要求，建筑使用功能的要求，有时候要较大空间， 较复杂的造型来满足这些要求。由于短肢剪力墙在布置上比较灵活并且可以使建筑获得 较大的空间，因此，本住宅楼中适当布置一些短肢剪力墙。在满足建筑要求需要的前提 下，寻找合理的结构布置方案，我认为有以下几点影响：（1）由于房间功能分区的需要，在结构中一般不要只宣布一般剪力墙，以便造成 房屋的总重量过大，对抵抗力水平地震作用不利； （2）为了获得较大的使用空间，短肢剪力墙的数量可能会布置过来，这样会造成 整个房屋的整体刚度不足，从而可能会造成层间位移和顶点位移不满足规范的相关规 定； （3）由于建筑功能的需要，有时需要在剪力墙上开洞，削弱了墙体的抵抗力，减 小墙体的等效刚度，同时洞口四周的角度位置易受力而开裂，使结构丧失承载能力。当 然，对于有些截面高度较大的墙体，在中间的位置开洞对结构可能是有利的，因为这样 可以减少其等效刚度，减少分配到的地震力，从而使各剪力墙的受力均匀，整体抵抗力 增强，充分发挥结构的承载能力。 4.2 水平荷载 水平荷载的大小由建筑结构的布置来决定的。 为了减少地震作用，可以选用较轻质的材料，这些材料同时能满足外墙保温，内 墙隔断、隔音和防火的要求，能抵抗外力的作用，且不影响建筑使用要求。特别是高层 建筑， 需要考虑防火， 以满足使用和安全疏散的要求， 这样就要设置设备层包括水箱间、 电梯机房，使得顶层的荷载较大，同时规范规定，对于突出顶层的小房子，当计算地震 作用的同时，其重力荷载代表值乘以地震力增大系数 3（但增大的部分不向下传），对 结构的受力不利，所以在设计这些设备时只需要满足需要即可。 一旦建筑方案、选用的建筑材料、结构的布置确定，那么水平荷载的计算就只需 按照规范的规定计算：高度不大于 40m，质量和刚度分布比较均匀，以剪切变形为主的 结构的地震作用可以用底部剪力法计算，除此之外的结构需要用振型分解法计算地震作 用。 4.3 截面几何特征 （1）剪力墙等效刚度 等效刚度的计算首先要判断剪力墙的类型，在一定程度上，判断的剪力墙的类型 就决定了剪力墙等效刚度的大小（针对同一片墙，由大到小依次为整体墙、小开口整体 墙、联肢墙、壁式框架）。同时，剪力墙的类型又与墙上的开洞情况有关。我认为正是 这些原因，规范上规定剪力墙上开洞不宜过大，且孔洞间间距及孔洞至墙边净距不宜太 小，采取构造措施对洞口进行加强，防止结构由于局部失去承载能力而使整个结构失去 承载能力，否则剪力墙的等效刚度就较小，需要布置更多的剪力墙才能满足结构顶点位移和层间位移的需要。 （2）壁式框架的刚度 壁式框架（剪力墙的一种，对于它的设计计算按照一般框架的理论进行计算。由 于在剪力墙的类型判别中出现了壁式框架，因此下面的内力计算将按照壁式框架-剪力 墙协同工作原理进行急计算）的刚度主要与壁梁和壁柱的线刚度有关，壁梁和壁柱的线 刚度主要与其截面的高度有较大的关系，壁梁的截面高度大，它的惯性距就大，对柱的 约束能力越强，壁柱的截面高度大，柱的线刚度越大，两者结合起来，壁式框架的抗侧 刚度就大，从而提高总壁式框架的等效剪切度。 （3）连梁刚度的计算 连梁刚度的计算，与计算简图的确定有关。据总剪力墙和总壁式框架间联系和互 相作用方式不同，将壁式框架剪力墙结构水平荷载作用下的计算简图分为铰接体系和刚 接体系。如果剪力墙之间由连系梁连接，连系梁对剪力墙产生约束弯矩，此时宜将结构 简化为刚接计算体系，按规范要求计算连系梁的刚度，但有时把连系梁及由其连接的两 片剪力墙看作联肢墙时，可以将结构简化为铰接体系，而无需计算连系梁对剪力墙的约 束弯矩，在计算剪力墙的等效刚度时按联肢墙计算即可。 （4）结构的刚度特征值 结构的刚度特征值与结构的高度、剪力墙的等效刚度、总壁式框架的等效剪切 刚度和连系梁的等效刚度有关，是反映综合壁式框架和综合剪力墙之间刚度比值的一个 参数，是影响壁式框架-剪力墙结构受力和变形的主要参数（水平荷载在结构中的分配， 从总剪力墙弯矩和总剪力的计算公式中可以看出，在结构轮廓尺寸确定的情况下，仅与 结构的刚度特征值有关；结构在水平荷载作用下的位移计算也仅与剪力墙的等效刚 度、结构的刚度特征值、外部荷载的简化形式有关）。 主体结构在水平荷载作用下的协同工作 4.4 主体结构在水平荷载作用下的协同工作 水平荷载作用在结构中的分配，首先是根据结构的计算简图在总剪力墙和总壁式 框架之间进行分配，如果是较接体系，把总壁式框架受到的总剪力根据柱的抗侧刚度的 大小分配给各个壁柱，根据节点的平衡求得壁梁梁端的弯矩和剪力，把求得的剪力墙的 总弯矩和总剪力按照墙体的等效刚度分配给各片剪力墙；如果是刚接体系，先根据壁式 框架剪切刚度和连梁等效刚度分配广义总剪力，再把壁式框架受到的总剪力根据柱的抗 侧刚度的大小分配给各个壁柱，根据节点的平衡求得壁梁梁端的弯矩和剪力，剪力墙的 总弯矩需加上总连梁的约束力距，然后再按等效刚度进行分配。在这种分配方式下，对于壁式框架，抗侧刚度大的壁柱，受到的力就大，它的配筋需要加大。 4.5 内力计算及组合 重力荷载作用下，在高层建筑中，对于壁式框架，可以采用活荷载满布的情况通 过分层法进架内力的计算。这种荷载布置方式可以覆盖大部分的不利内力组合的情况， 能满足构件承载能力的要求。对于其他类型的剪力墙，在重力荷载作用下，我们只计算 各个墙肢的轴力。 在进行内力组合的时候，由于是手算，且时间有限，只能取有代表性的构件进行 组合。在竖向荷载作用下，由于是满布，结构的内力可以看作是固定的；在水平荷载作 用下，壁式框架受到的力有几个层次：在底部受到的水平力较小，但由于轴力较大，需 要进行内力组合；中间几层受到的水平力相对最大，轴力相对底层减少较多，需进行内 力组合；顶上几层，轴力较小，为了更加经济，需对其进行内力组合，计算其配筋，减 少钢筋的使用量。壁梁除了竖向荷载下产生的内力以外，主要是根据节点平衡分配给壁 梁的弯矩，使壁梁梁端和跨中产生不利内力组合。由于在水平荷载下分配给壁框架的剪 力进行了调整，所以各层壁梁和壁柱节点分配给壁梁的内力相差不大，对相应于壁柱内 力组合的各层壁梁内力进行组合即可。 其它类型的剪力墙在底层受到的弯矩和剪力都很大，所以需要对底层的剪力墙截 面进行内力组合，在中间偏上位置，由于剪力墙受到的弯矩和剪力都出现了转折点，为 了降低成本，需对其进行内力组合，减少钢筋的使用量。4.6 截面设计 壁式框架截面设计，按照一般框架截面设计理论进行设计。需根据荷载效应组合 所得内力按构件正截面抗弯、斜截面抗剪承载力要求计算构件的配筋数量。 抗震结构在设防烈度下，构件进入塑性变形状态，为了有良好的耗能能力，以及 在强震下结构不倒塌，抗震结构要求设计成延展性结构，其构件应有足够的延性。因此 规范规定：在进行截面设计时，要做到“强柱弱梁（控制塑性铰出现的位置）、强剪弱 弯（控制构件的破坏形态）、强节点强锚固（保证节点区的承载力）”，对壁梁和壁柱 剪力设计值进行