(高层结构设计)第七章 钢筋混凝土剪力墙设计

钢筋混凝土剪力墙设计,石建光厦门大学土木工程系,内容提要,剪力墙(抗震墙)的震害剪力墙的构成剪力墙的分类剪力墙结构的设计要点剪力墙结构布置规定剪力墙结构的计算分析方法剪力墙的设计连梁设计剪力墙开小洞口和连梁开洞,剪力墙(抗震墙)的震害,在强震作用下，抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破坏。主要是由于连梁跨度小，高度大形成深梁，在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝，为剪切型脆性破坏，尤其是在房屋1/3高度处的连梁破坏更为明显。,汶川地震中剪力墙结构的震害,剪力墙洞口连梁剪切斜裂缝,汶川地震中高层建筑的震害,彭州市剪力墙结构高连梁破坏,汶川地震中剪力墙结构的震害,成都市的框架-剪力墙结构双连梁,汶川地震中剪力墙结构的震害,成都某剪力墙高层住宅( 33 层) 山墙和隔墙裂缝,汶川地震中剪力墙结构的震害,主体封顶的剪力墙结构高层建筑( 31 层) , 可以看到连梁端部斜裂缝和跨中竖向裂缝,汶川地震中剪力墙结构的震害,西安高层建筑破坏远震长周期效应十分明显。,剪力墙的构成,墙肢连梁：两端与剪力墙在平面内相连的梁。边缘构件：约束边缘构件与构造边缘构件,剪力墙的塑性铰区和加强部位,悬臂剪力墙都在底部弯矩最大，底截面可能出现塑性铰。塑性铰区也是剪力最大的部位，斜裂缝常常在这个部位出现，且分布在一定范围，反复荷载作用就形成交叉裂缝，可能出现剪切破坏。在塑性铰区要采取加强措施，称为剪力墙的加强部位。,剪力墙的分类短肢剪力墙、具有较多短肢剪力墙的剪力墙结,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； 具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构是指，在规定的水平地震作用下，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%的剪力墙结构。当墙肢的截面高度与厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计。,剪力墙的分类短肢剪力墙,短肢剪力墙沿建筑高度可能有较多楼层墙肢出现反弯点，受力特点接近异形柱，又承担较大轴力，因此，短肢剪力墙应加强，在某些情况下还要限制建筑高度。对于L、T、十字形剪力墙，两个方向的墙肢高度与厚度之比均在 48时，才为短肢剪力墙。当洞口较小且连梁刚度较大，剪力墙的受力接近整体小开口墙时，可按整体墙长度判断是否属于短肢剪力墙。短肢剪力墙一般出现在多层和高层住宅建筑中。,剪力墙的分类按墙体洞口情况,整截面墙: 墙面洞口的总面积不大于墙面总面积的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。整体小开口墙: 洞口的面积超过墙面总面积的16%，但洞口对剪力墙的受力影响仍较小。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。,剪力墙的分类按墙体洞口情况,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。错洞墙和叠合错洞墙。,各类剪力墙的受力特点,整截面墙，如同竖向悬臂构件，截面正应力呈直线分布，沿墙的高度方向弯矩图不出现反弯点，变形曲线以弯曲型为主。 独立悬臂墙是指墙面洞口很大，连梁刚度很小，墙肢的刚度又相对较大时的剪力墙。各墙肢变形曲线以弯曲型为主。,各类剪力墙的受力特点,整体小开口墙，连梁刚度很大，墙肢的刚度相对较小，连梁的约束作用很强，墙的整体性很好。水平荷载产生的弯矩主要由墙肢的轴力负担，墙肢弯矩较小，弯矩图有突变，但基本上无反弯点，截面正应力接近于直线分布，变形曲线仍以弯曲型为主。双肢墙（联肢墙）介于整体小开口墙和独立悬臂墙之间，连梁对墙肢有一定的约束作用，墙肢弯矩图有突变，一些楼层有反弯点存在，墙肢局部弯矩较大，整个截面正应力已不再呈直线分布，变形曲线为弯曲型。 壁式框架，连梁与墙肢的截面弯曲刚度接近，墙肢中弯矩与框架柱相似，弯矩图不仅在楼层处有突变，而且在大多数楼层中都出现反弯点，变形曲线呈整体剪切型。,剪力墙结构的设计要点,墙体布置控制洞口和短肢墙剪力墙结构要强墙弱梁墙肢和连梁强剪弱弯墙肢轴压比限制设置边缘构件加强重点部位：底部加强部位保证墙肢、连梁延性,剪力墙结构布置规定,剪力墙结构应具有适宜的侧向刚度，剪力墙截面宜简单、规则，其布置应符合下列要求： 1 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。抗震设计时，不应采用单向有墙的结构布置形式； 2 宜自下到上连续布置，避免刚度突变； 3 门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁；宜避免造成墙肢宽度相差悬殊的洞口设置；抗震设计时，一、二、三级剪力墙的底部加强部位不宜采用上下洞口不对齐的错洞墙，全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。,剪力墙结构布置规定和底部加强部位,剪力墙不宜过长，较长剪力墙宜设置跨高比较大连梁将其分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高宽比不宜小于3，墙肢截面高度不宜大于8m 跨高比小于5的连梁应按连梁设计，跨高比不小于5的连梁宜按框架梁设计。 抗震设计时，剪力墙底部加强部位的范围，应符合下列规定： 1 底部加强部位的高度，应从地下室顶板算起； 2 底部加强部位的高度，可取底部和墙体总高度的1/10二者的较大值； 3 当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以下时，底部加强部位宜延伸到计算嵌固端。楼面梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁上。,剪力墙结构布置规定-剪力墙、扶壁柱、暗柱,当剪力墙或核心筒墙肢与其平面外相交的楼面梁刚接时，可沿楼面梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙、扶壁柱或在墙内设置暗柱，并应符合下列规定： 1 设置沿楼面梁轴线方向与梁相连的剪力墙时，墙的厚度不宜小于梁的宽度； 2 设置扶壁柱时，其宽度不应小于梁宽，墙厚可计入扶壁柱的截面高度； 3 墙内设置暗柱时，暗柱的截面高度可取墙的厚度，暗柱的截面宽度可取梁宽加2倍墙厚； 4 应通过计算确定暗柱或扶壁柱的竖向钢筋（或型钢），竖向钢筋的配筋率不宜小于 表7.1.6 的规定；,剪力墙结构布置规定-剪力墙、扶壁柱、暗柱,5 楼面梁的水平钢筋应伸入剪力墙或扶壁柱，伸入长度应符合钢筋锚固要求。钢筋锚固段的水平投影长度，非抗震设计时不宜小于0.4lab，抗震设计时不宜小于0.4labE；当锚固段的水平投影长度不满足要求时，可将楼面梁伸出墙面形成梁头，梁的纵筋伸入梁头后弯折锚固，也可采取其他可靠的锚固措施。,6 暗柱或扶壁柱应设置箍筋，箍筋直径一、二、三级时不应小于8mm，四级及非抗震时不应小于6mm，且不应小于纵向钢筋直径的1/4。箍筋间距，一、级、二、三级不应大于150mm，四级及非抗震时不应大于200mm。,剪力墙结构布置规定-剪力墙、扶壁柱、暗柱,剪力墙结构布置规定-具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构,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。当采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构时，应符合下列要求： 1 在规定的水平地震作用下，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%； 2 房屋适用高度应比规定的剪力墙结构的最大适用高度适当降低，7度、8度（0.2g）和8度（0.2g）时分别不宜大于100m、 80m和60m。,剪力墙结构的计算分析方法,简化分析方法材料力学分析法连续化的分析方法带刚域框架的计算方法计算机分析方法平面协同分析方法空间结构分析方法有限元法等数值计算方法,剪力墙结构平面协同工作分析,剪力墙结构是空间结构体系，在水平荷载作用下，为简化计算，做如下假定： （1）楼盖在自身平面内的刚度为无限大，而在其平面外的刚度很小，可以忽略不计； （2）各片剪力墙在其平面内的刚度较大，忽略其平面外的刚度； （3）水平荷载作用点与结构刚度中心重合，结构不发生扭转。,剪力墙结构的计算分析-有效翼墙,在计算剪力墙的内力和位移时，可以考虑纵、横向剪力墙的共同工作，纵墙（横墙）的一部分可以作为横墙（纵墙）的有效翼墙，翼墙的有效长度，每侧由墙面算起可取相邻剪力墙净间距的一半、至门窗洞口的墙长度及剪力墙总高度的15三者的最小值。 当剪力墙各墙段错开距离a不大于实体连接墙厚度的8倍，并且不大于2.5m时，整片墙可以作为整体平面剪力墙考虑；计算所得的内力应乘以增大系数1.2，等效刚度应乘以折减系数0.8。当折线形剪力墙的各墙段总转角不大于15时，可按平面剪力墙考虑。,剪力墙结构的计算分析,高层建筑结构地震作用效应分析时，可对剪力墙的连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于0.5。 复杂平面和立面的剪力墙结构，应采用合适的计算模型进行分析。当采用有限元模型时，应在截面变化处合理地选择和划分单元；当采用杆系模型计算时，对错洞墙、叠合错洞墙可采取适当的模型化处理，并应在整体计算的基础上对结构局部进行更细致的补充计算分析。 高层建筑结构计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。,剪力墙的设计,剪力墙的性能剪力墙承载力验算、加强措施剪力墙的截面设计及构造,剪力墙的性能-悬臂剪力墙,悬臂剪力墙破坏形态可以归纳为弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏和滑移破坏几种形态。弯 曲破坏又分为大偏压破坏和小偏压破坏，大偏压破坏是具有延性的破坏形态 ，小偏压破坏的延性很小，而剪切破坏是脆性的。,剪力墙的性能-剪力墙的剪切破坏类型和平面外错断,剪力墙平面内的剪切破坏有三种类型(1)剪拉破坏;(2)剪压破坏， (3)剪切滑移破坏，平面外的错断,剪力墙的性能-剪力墙的剪切破坏特点措施,剪(斜)拉破坏 破坏特点：没有或很少水平分布钢筋。斜裂缝一出现就很快形成一条主裂缝，使墙肢劈裂而丧失承载能力。 措施：通过限制水平分布钢筋的最小配筋率防止这种破坏。斜压破坏 破坏特点：剪力墙截面过小或混凝土等级过低。即使在墙肢中配置了过多的腹筋，当腹筋应力还没有充分发挥作用时，混凝土已被剪压破碎了。 措施：通过限制截面尺寸(剪压比)来防止这种形式的破坏。剪压破坏腹筋配置合适。这是剪力墙的水平分布筋的计算主要依据。腹筋可以抵抗斜裂缝的开展。 随着斜裂缝的进一步扩大，混凝土受剪区域逐渐减小，最后在压、剪应力的共同作用下剪压区混凝土压碎。 措施：斜截面承载力验算避免剪压破坏。,剪力墙延性的影响因素,剪跨比M/Vhw影响剪力墙破坏形态的重要因素。 M/Vhw2时，容易实现弯曲破坏，延性较好;2M/Vhw1时，可能弯坏 ，也可能剪坏 ，也可能的弯剪破坏; M/Vhw1的剪力墙，一般都出现剪切破坏。轴压比相对压区高度翼缘和端部钢筋边缘构件分布钢筋配筋率混凝土强度,剪跨比-矮墙,剪跨比M/Vhw小于1的剪力墙属于矮墙。矮墙几乎都是剪切破坏。限制名义剪应力、加大抗剪钢筋是防止其突然出现脆性破坏 的主要措施。,剪力墙延性的影响因素-轴压比,剪力墙延性的影响因素-相对压区高度、轴压比,剪力墙延性的影响因素-翼缘和端部钢筋,剪力墙承载力验算、加强措施,剪力墙应进行平面内的斜截面受剪、偏心受压或偏心受拉、平面外轴心受压承载力验算。在集中荷载作用下，墙内无暗柱时还应进行局部受压承载力验算。剪力墙墙肢的加强措施剪力墙要满足最小厚度要求强剪弱弯要求剪压比限制要求墙肢要设置约束边缘构件或者构造边缘构件墙肢内设置的分布钢筋不能小于最小配筋率保证墙肢平面外的稳定与承载力,剪力墙的截面设计及构造-截面厚度,剪力墙的截面厚度应符合下列规定： 1 应符合墙体稳定验算要求； 2 一、二级剪力墙，底部加强部位不应小于200mm，其他部位不应小于160mm；无端柱或翼墙的一字形独立剪力墙，底部加强部位不应小于220mm，其它部位不应小于180mm； 3 三、四级剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于160mm，一字形独立剪力墙的底部加强部位不应小于180mm； 4 非抗震设计时 应小于160mm； 5 剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160mm。,剪力墙的截面设计及构造-短肢剪力墙,抗震设计时，短肢剪力墙的设计应符合下列要求： 1短肢剪力墙截面厚度除应符合剪力墙的要求外，尚不应小于180mm；2一、二、三级短肢剪力墙的轴压比，分别不宜大于0.45、0.50、0.55，一字形截面短肢剪力墙的轴压比限值再相应减少0.1；3 底部加强部位应调整剪力设计值外，其他各层一、二、三级的剪力设计值应分别乘以增大系数1.4 、1.2和1.1； 4短肢剪力墙边缘构件的设置应符合要求；5短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%，其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%； 6 不宜采用一字型短肢剪力墙，不宜在一字形短肢剪力墙布置平面外与之相交的单侧楼面梁。,剪力墙的截面设计及构造-分布钢筋,剪力墙结构的竖向和水平分布钢筋不应单排配置。剪力墙截面厚度不大于400mm时，可采用双排配筋；大于400mm、但不大于700mm时，宜采用三排配筋；大于700mm时，宜采用四排配筋。各排分布钢筋之间拉筋的间距不应大于600mm，直径不应小于6mm。 抗震设计的双肢剪力墙，其墙肢不宜出现小偏心受拉；当任一墙肢为偏心受拉时，另一墙肢的弯矩设计值及剪力设计值应乘以增大系数1.25。,墙肢截面弯矩和剪力调整,一级剪力墙的底部加强部位以上部位，墙肢的组合弯矩设计值和组合剪力设计值应乘以增大系数，弯矩增大系数可取为1.2，剪力增大系数可取为1.3 。 底部加强部位剪力墙截面的剪力设计值，一、二、三级时应按（1）式调整，9度一级剪力墙应按（2）式调整；一、二、三级的其他部位及四级时可不调整。,墙肢截面剪力设计控制-剪压比,剪力墙墙肢截面剪力设计值应符合下列规定： 永久短暂设计状态： 地震设计状态： 剪跨比大于2.5时 剪跨比 不大于2.5时剪跨比可按下式计算：,墙肢的正截面受压承载力,墙肢的正截面受压承载力,持久、短暂设计状态：,矩形、T形、I形偏心受压剪力墙墙肢的正截面受压承载力应符合现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010的有关规定，也可按下列规定计算：,墙肢的正截面受压承载力,有地震作用组合时，公式（1）、（2）右端均应除以承载力抗震调整系数RE， RE 取0.85。,矩形截面偏心受拉剪力墙的正截面受拉承载力,矩形截面偏心受拉剪力墙的正截面受拉承载力应符合下列规定： 持久、短暂设计状态：地震设计状态,偏心受压剪力墙的斜截面受剪承载力,偏心受压剪力墙的斜截面受剪承载力应符合下列规定： 永久短暂设计状态：地震设计状态,偏心受拉剪力墙的斜截面受剪承载力,偏心受拉剪力墙的斜截面受剪承载力应符合下列规定： 永久短暂设计状态：地震设计状态,水平施工缝的抗滑移墙肢的轴压比,抗震等级为一级的剪力墙，水平施工缝的抗滑移应符合下式要求： 重力荷载代表值作用下，一、二、三级剪力墙墙肢的轴压比不宜超过表7.2.13的限值。,剪力墙两端和洞口两侧边缘构件:约束边缘构件与构造边缘构件,剪力墙两端和洞口两侧应设置边缘构件，并应符合下列规定： 1 一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于表7.2.14的规定值时，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应在底部加强部位及其以上一层设置约束边缘构件，约束边缘构件应符合规定； 2 除第一款所列部位外，应按规定设置构造边缘构件； 3 B级高度高层建筑的剪力墙，宜在约束边缘构件层与构造边缘构件层之间设置12层过渡层，过渡层边缘构件的箍筋配置要求可低于约束边缘构件的要求，但应高于构造边缘构件的要求。,约束边缘构件,剪力墙的约束边缘构件可为暗柱、端柱和翼墙，并应符合下列要求：1 约束边缘构件沿墙肢的长度lc和箍筋配箍特征值 应符合表7.2.15的要求。配箍特征值可按下式计算：,约束边缘构件-暗柱、端柱和翼墙,约束边缘构件-暗柱、端柱和翼墙,2 剪力墙约束边缘构件阴影部分的竖向钢筋除应满足正截面受压（受拉）承载力计算要求外，其配筋率一、二、三级时分别不应小于1.2、1.0%和1.0%，并分别不应少于81、16和14的钢筋； 3 约束边缘构件内箍筋或拉筋沿竖向的间距，一级不宜大于100mm，二、三级不宜大于150mm；箍筋、拉筋沿水平方向的肢距不宜大于300mm，不应大于竖向钢筋间距的2倍。,剪力墙构造边缘构件,剪力墙构造边缘构件的范围宜按阴影部分采用，其最小配筋应满足表7.2.16的规定，并应符合下列要求： 1 竖向配筋应满足正截面受压（受拉）承载力的要求； 2 当端柱承受集中荷载时，其竖向钢筋、箍筋直径和间距应满足框架柱的相应要求； 3箍筋、拉筋沿水平方向的肢距不宜大于300mm，不应大于竖向钢筋间距的2倍 ；,剪力墙构造边缘构件,4 地震设计时，对于连体结构、错层结构以及B级高度高层建筑结构中的剪力墙（筒体），其构造边缘构件的最小配筋应符合下列要求：1）竖向钢筋最小量应比表7.2.16中的数值提高0.010Ac采用；2）箍筋的配筋范围宜取图7.2.16中阴影部分，其配箍特征值 v 不宜小于0.1。5 非抗震设计的剪力墙，墙肢端部应配置不少于12的纵向钢筋，箍筋直径不应小于6mm、间距不宜大于250mm。,剪力墙竖向和水平分布钢筋,剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率，一、二、三级时均不应小于0.25%，四级和非抗震设计时均不应小于0.20%。 剪力墙的竖向和水平分布钢筋的间距均不宜大于300mm，直径不应小于8mm。剪力墙的竖向和水平分布钢筋的直径不宜大于墙厚的1/10。 房屋顶层剪力墙、长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙、端开间纵向剪力墙以及端山墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率均不应小于0.25%，间距均不应大于200mm。,剪力墙的钢筋锚固和连接,3 暗柱及端柱内纵向钢筋连接和锚固要求宜与框架柱相同，宜符合有关规定。,剪力墙的钢筋锚固和连接应符合下列要求：1 非抗震设计时，剪力墙纵向钢筋最小锚固长度应取al；抗震设计时，剪力墙纵向钢筋最小锚固长度应取aEl。 a l 、 aE l 的取值应符合有关规定；2 剪力墙竖向及水平分布钢筋采用搭接连接时（图7.2.20），一、二级剪力墙的底部加强部位，接头位置应错开，同一截面连接的钢筋数量不宜超过总数量的50%，错开净距不宜小于500mm；其他情况剪力墙的钢筋可在同一截面连接。分布钢筋的搭接长度，非抗震设计时不应小于1.2al，抗震设计时不应小于1.2 aE l ；,连梁设计,连梁设计-剪力调整,连梁两端截面的剪力设计值应按下列规定确定：非抗震设计以及四级剪力墙的连梁，应分别取考虑水平风荷载、水平地震作用组合的剪力设计值。 一、二、三级剪力墙的连梁，其梁端截面组合的剪力设计值应按（1）式确定，9度时一级剪力墙的连梁应按（2）式确定。,连梁截面剪力设计控制,连梁截面剪力设计值应符合下列规定： 永久、短暂设计状态： 地震设计状态： 剪跨比大于2.5时 剪跨比不大于2.5时,连梁的斜截面受剪承载力,连梁的斜截面受剪承载力应符合下列规定： 永久、短暂设计状态： 地震设计状态： 剪跨比大于2.5时 剪跨比不大于2.5时,连梁纵向钢筋的最小配筋率,跨高比（）不大于1.5的连梁，非抗震设计时，其纵向钢筋的最小配筋率可取为0.2%，抗震设计时，其纵向钢筋的最小配筋率宜符合表7.2.24的要求；跨高比大于1.5的连梁，其纵向钢筋的最小配筋率可按框架梁的要求采用。,连梁纵向钢筋的最大配筋率,剪力墙结构连梁中，非抗震设计时，顶面及底面单侧纵向钢筋的最大配筋率不宜大于2.5%，抗震设计时，顶面及底面单侧纵向钢筋的最大配筋率宜符合表7.2.25的要求；如不满足，则应按实配钢筋进行连梁强剪弱弯的验算。,剪力墙的连梁不满足剪力控制可采取的措施,剪力墙的连梁不满足截面要求时，可采取如下措施： 1 减小连梁截面高度或采取其他减小连梁刚度措施； 2 抗震设计剪力墙连梁的弯矩可塑性调幅；内力计算时已经降低了刚度的连梁，其弯矩值不宜再调幅，或限制再调幅范围。此时，应取弯矩调幅后相应的剪力设计值校核其是否满足截面要求的规定；剪力墙中其他连梁和墙肢的弯矩设计值宜视调幅连梁数量的多少而相应适当增大。3 当连梁破坏对承受竖向荷载无明显