第5章_高层建筑结构设计_剪力墙结构设计

高层建筑结构设计,盐城工学院,第5章剪力墙结构设计,本章内容,剪力墙结构概念设计剪力墙结构内力和侧移的简化近似计算剪力墙结构内力和侧移的计算机计算剪力墙结构截面设计剪力墙结构构造,5.1剪力墙结构概念设计,水平荷载作用下的变形特征与其高宽比之间的关系：H/bw2（高墙），弯曲型变形；1H/bw2（中高墙），弯曲型变形与剪切型变形；H/bw1(矮墙)，剪切型变形。,剪力墙是一种抵抗侧向力的结构单元，在水平荷载作用下，截面抗剪问题较为突出，它主要适用于有小房间设计要求的高层住宅、公寓和旅馆建筑。,剪力墙结构的受力变形特点1.水平荷载作用下的受力变形特点,平面剪力墙的变形特征：弯矩作用下产生的“弯曲型变形”，与剪力作用下产生的“剪切型变形”之间的叠加。,5.1剪力墙结构概念设计,水平荷载作用下，剪力墙主要是受弯工作状态，由受弯承载力决定破坏状态。,2.剪力墙的破坏,悬臂剪力墙的破坏,5.1剪力墙结构概念设计,剪力墙的结构布布置1.高宽比限制,钢筋混凝土高层剪力墙结构的最大适用高宽及高宽比应满足水平荷载作用下的整体抗倾覆稳定性要求。,级高层剪力墙的最大适用高度,B级高层剪力墙的最大适用高度,级和级高度钢筋混凝土剪力墙的高宽比限值,5.1剪力墙结构概念设计,2.结构平面布置,不同形式的建筑平面应采用不同形式的剪力墙，且在抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙结构的侧向刚度不宜过大，宜自下到上连续布置。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。抗震设计时，一、二、三级抗震等级剪力墙的底部和加强部位不宜采用错洞墙；全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。同一轴线上的连续剪力墙过长时，应该用楼板或细弱的连梁分成若干个墙段，每一个墙段的高宽比应不宜小于，每一墙肢的宽度不宜大于。剪力墙结构中，剪力墙数量不宜太多，且一般采用大开间剪力墙（间距为6.07.2）。,5.1剪力墙结构概念设计,(6)剪力墙墙肢截面宜简单、规则。抗震设计时，短肢剪力墙的设计应符合下列要求：一、二、三级短肢剪力墙的轴压比，在底部加强部位分别不宜大于0.45、0.50、0.55;在底部加强部位以上的其他部位不宜大于上述规定值加0.05。除底部加强部位的短肢剪力墙应按高规第7.2.9条调整剪力设计值外，其他各层一、二级短肢剪力墙的剪力设计值应分别乘以增大系数1.4和1.2。短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.0%，其他部位不宜小于0.8%。短肢剪力墙截面厚度除应符合高规第7.2.1条的要求外，尚不应小于180mm。短肢剪力墙边缘构件的设置应符合高规第7.2.14条的要求。,5.1剪力墙结构概念设计,判断剪力墙结构合理刚度可以由结构基本自振周期来考虑，宜使剪力墙结构的基本自振周期控制在：(0.050.06)N（N为层数）。当周期过短、地震力过大时，宜对结构刚度加以调整。调整结构刚度的方法有：适当减小剪力墙的厚度；降低连梁高度；增大门窗洞口宽度；对较长的墙肢设置施工洞，分为两个墙肢。墙肢长度超过时，一般都应由施工洞口划分为小墙肢。,5.1剪力墙结构概念设计,3.结构竖向布置,普通剪力墙结构的剪力墙应在整个建筑竖向连续。一般情况下剪力墙厚度宜两侧同时内收，外墙可以只在内侧单面内收，而电梯井可以只在外侧单面内收。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。,成列开洞的规则剪力墙传力直接，受力明确，地震中不易因为复杂应力而产生震害,错洞墙洞口上、下不对齐，受力复杂，洞口边容易产生显著的应力集中，因而配筋量增大，而且地震中常发生震害。,5.1剪力墙结构概念设计,(4)剪力墙相邻洞口之间以及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。试验表明：墙肢宽度与厚度之比小于小墙肢在反复荷载作用下，比大墙肢早开裂、早破坏。在设计剪力墙时，墙肢宽度不宜小于b（b为墙厚）,且不应小于500mm。,5.1剪力墙结构概念设计,部分框支剪力墙结构的剪力墙，可取框支层加框支层以上两层的高度及落地剪力墙总高度的1/10二者的较大值；,(6)剪力墙底部加强部位的高度的取值：,抗震设计时，应从地下室顶板算起；,其他结构的剪力墙，可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值；,5.1剪力墙结构概念设计,三.剪力墙最小厚度及材料强度选定1.剪力墙材料选择,剪力墙结构混凝土强度等级不应低于C20；带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。,2.剪力墙的最小截面尺寸要求,(1)按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于200mm；其他部位不应小于160mm。(2)按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于160mm；部位不应小于160mm。(3)非抗震设计的剪力墙截面厚度不应小于160mm。(4)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。,5.1剪力墙结构概念设计,(1)剪力墙结构中剪力墙的平面布置必须使结构质心和刚心尽可能接近，且在抗震设计时，应使结构在两个主轴方向的抗侧刚度及振动性能相接近。(2)剪力墙的数量应能保证在抗震设计时，剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不小于结构总底部地震倾覆力矩的50%，并能满足高层建筑结构顶点水平侧移限值和房间相对侧移限值的要求。(3)剪力墙墙肢截面高度不宜大于8m；较长的剪力墙宜设置连梁跨高比不小于的洞口，将一道剪力墙分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高宽比不宜小于。(4)抗震设计时，应对底部加强部位以及各层短肢剪力墙的剪力设计值进行调整。,剪力墙设计计算要点和程序框图1.剪力墙设计要点如下：,5.1剪力墙结构概念设计,(5)楼面梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁上。当剪力墙或核心筒墙肢与其平面外相交的楼面梁刚接时，相关的措施应符合如下规定：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；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；墙内设置暗柱时，暗柱的截面高度可取墙的厚度，暗柱的截面宽度不应小于梁宽、不宜大于墙厚的倍；应通过计算确定暗柱或扶壁柱的竖向钢筋（或型钢），竖向钢筋的总配筋率应符合有关要求；楼面梁的水平钢筋应伸入剪力墙或扶壁柱，深入长度应符合钢筋锚固要求；暗柱或扶壁柱应设置箍筋，箍筋应符合柱箍箍筋的构造要求。,5.1剪力墙结构概念设计,2.剪力墙结构设计计算程序框图,5.2内力和位移的近似计算,一.基本假定,剪力墙结构由竖向承重墙体和水平楼板及连梁构成，整体性好。剪力墙的内力和侧移计算可简化为竖向荷载作用下的计算以及水平荷载作用下平面剪力墙的计算。,(1)竖向荷载在纵横向剪力墙平均按45刚性角传力;(2)每片墙体结构仅在其自身平面内提供抗侧刚度,在平面外的刚度可忽略不计;(3)平面楼盖在其自身平面内刚度无限大;(4)剪力墙结构在使用荷载作用下构件材料均处于线弹性阶段。,基本假定：,5.2内力和位移的近似计算,二.竖向荷载作用下的内力计算,1.各片墙的竖向荷载可按照它的受荷面积计算。2.竖向荷载除了在连梁内产生弯矩外，在墙肢内主要是产生轴向力。3.当横墙和纵墙整体联结时，在楼板以下一定距离以外，可以认为竖向荷载在两方向墙内均匀分布。,竖向荷载传力特征,楼板中有大梁，传到墙上的集中荷载可按45扩散角向下扩散到整个墙截面。而对于其他情况，可按分布荷载计算集中力对墙面的影响。,5.2内力和位移的近似计算,三.基本假水平荷载作用下的计算单元和计算简图,剪力墙结构是空间板盒式结构，根据平面结构基本假定，可按纵、横两方向墙体分别按平面结构进行分析，可以简化水平荷载下的荷载效应计算。,剪力墙翼缘宽度,剪力墙单元,5.2内力和位移的近似计算,四.水平荷载的分配,各片剪力墙是通过刚性楼板联系在一起的。当结构的水平力合力中心与结构刚度中心重合时，结构不会产生扭转，各片剪力墙在同一层楼板标高处的侧移将相等。因此，总水平荷载将按各片剪力墙的刚度大小向各片墙分配。当有m片墙时，第i片墙第j层分配到的剪力：,式中，Vij由水平荷载产生的第j层总剪力；EiJeqi第I片墙的等效抗弯刚度。,5.2内力和位移的近似计算,五.平面剪力墙分类及受力特点,当剪力墙结构中的洞口为矩形且其位置接近横向尺度中部时，根据洞口的大小（常用洞口系数来表示）可将剪力墙划分为不同的类型，且每种类型有不同的力学特性。洞口系数：,不管是哪一类墙，一般均应考虑弯、剪、轴三种变形影响。,5.2内力和位移的近似计算,整体墙的内力和位移计算1.整体墙的等效简化处理方法,在计算位移时，要考虑洞口对水平截面面积及刚度的削弱：,整体墙,等效截面面积A：,洞口削弱系数：,5.2内力和位移的近似计算,2.整体墙顶点侧移计算,在三种常用水平荷载作用下，顶点位移计算公式如下：,式中V墙底部截面总剪力；切应力不均匀系数；EJeq等效抗弯刚度，其值,5.2内力和位移的近似计算,小开口整体墙的内力与位移计1.小开口整体墙的内力特点,小开口整体墙受力特点（1）,小开口整体墙受力特点（2）,5.2内力和位移的近似计算,2.小开口整体墙整体系数计算,联肢墙整体系数：,其中Z、Zi与及层数n有关。当各墙肢及连梁都比较均匀时，可查附表8.30得Z值，当各墙肢相差较大时可据附表8.31先查得S值，按下式计算第i个墙肢的Zi值：,式中，a、ai分别为双肢墙、多肢墙第i列连梁的计算跨度的一半；T为轴向变形影响系数；JA为各墙肢面积与yi2乘积之和。,小开口整体墙的判别条件：,10；JAJZ或JAJZi,5.2内力和位移的近似计算,3.小开口整体墙的内力和位移计算,当=10时，底截面(=1.0)的0.85。因此，小开口墙可近似按下述公式计算墙肢内力:,式中Mi(x)、Ni(x)第i个墙肢在x截面处的弯矩和轴力；M(x)截面的外力弯矩;Ai、Ji、yi第i个墙肢的截面面积、惯性矩和截面形心到组合截面形心的距离。,5.2内力和位移的近似计算,在各墙肢宽度相差很大的多肢剪力墙中，应分别验算每一个墙肢是否满足小开口整体墙条件。一般说来，宽度大的墙肢容易满足JAJZi，而一些很细的墙肢，常常不满足JAJZi的要求，这时应对加以修正。,连梁剪力可以由上下层墙肢轴力之差得到，再由剪力计算连梁端部弯矩。顶点位移、等效弯曲刚度可用整体墙的计算公式，但需乘以修正系数1.2。,假定反弯点在门洞边墙肢在中点,修正后门洞底部小墙肢弯矩为：,5.2内力和位移的近似计算,八.双肢墙和多肢墙的内力和位移计算1.基本假定,(1)墙肢刚度比连梁刚度大得多，连梁的反弯点在跨中；(2)两墙肢的位移曲线相同，同一标高上水平位移和转角都相同；(3)沿竖向刚度与层高不变(略有变化时可取其平均值)；(4)梁考虑弯曲变形和剪切变形，墙肢考虑弯曲变形和轴向变形。,5.2内力和位移的近似计算,2.联肢墙的内力和位移计算(1)连续连杆法的基本思路及基本方程,双肢墙计算简图及基本体系,3.根据各层连梁的剪力求出所有墙肢及连梁内力。,1.由切开处的变形连续条件建立(x)的微分方程，求解微分方程可得连杆剪力(x)。,2.将一个楼层高度范围内各点剪力积分，还原成一根连梁中的剪力。,基本思路,5.2内力和位移的近似计算,切开处沿(x)方向的变形连续条件可用下式表达:,5.2内力和位移的近似计算,(2)双肢墙的内力计算,连梁内力计算,墙肢内力计算,5.2内力和位移的近似计算,(3)双肢墙的侧移计算,双肢剪力墙的侧向位移应由墙肢的弯曲变形和剪切变形引起的侧移叠加而得，整理后可得顶点侧移为：,各系数的取值,5.2内力和位移的近似计算,(4)双肢墙内力分布特点,水平侧移,连梁剪力,墙肢轴力,墙肢弯矩,5.2内力和位移的近似计算,3.多肢剪力墙的计算要点,多肢墙连梁剪力分布示意,(1)计算几何参数,连梁折算惯性矩：,梁墙刚度比参数：,5.2内力和位移的近似计算,墙肢轴向变形影响系数：,整体系数：,(2)计算墙肢等效刚度,在三种典型水平荷载下，可近似统一取值：,5.2内力和位移的近似计算,(3)计算连梁约束弯矩函数()及m(),通常选连梁中线位置坐标，n（也可近似用楼板面标高处坐标计算），由表查得相应的()。约束弯矩函数m（）：,(4)计算连梁内力,j层第i个连梁端弯矩:,多肢墙连梁约束弯矩分配系数：,j层连梁总约束弯矩：,j层第i个连梁剪力:,5.2内力和位移的近似计算,(5)计算墙肢轴力,(6)计算墙肢弯矩及剪力,(7)计算顶点位移,5.2内力和位移的近似计算,九.壁式框架的内力和位移计算1.壁式框架计算简图及计算方法,计算简图,尺寸详图,5.2内力和位移的近似计算,2.壁式框架柱的D值计算,内力系数,在壁式框架中，梁、柱杆端有刚域；杆件截面高度大，剪切变形不能忽略。,在带刚域框架中用杆件修正刚度k代替线刚度i(附表8.32)，D值计算公式如下：,5.2内力和位移的近似计算,3.带刚域框架柱的反弯点高度比,带刚域柱反弯点位置,5.2内力和位移的近似计算,十.整体墙的内力和位移计算,剪力墙划分主要从两个方面判别:1.各墙肢间的整体性(以整体系数体现)。2.墙肢受力后是否出现反弯点(以墙肢惯性矩比JA/J体现)。,(1)当时，忽略连梁约束作用，按单肢剪力墙计算;,系数的数值,(2)当时，按壁式框架计算。,5.3内力和位移的计算机计算,一.概述,3.有限元法人为地将连续体划分为许多不连续的单元集合，每一个单元可以看成是一个单独的构件，单元与单元之间通过节点相互连接。,有限元法简介,三种计算方法的比较：,1.杆件分析法在不规则开洞或者是框支剪力墙时，用杆件模拟难以反映其受力真实情况。,2.经典弹性力学方法对于复杂边界形状、多连通的区域，难以用偏微分方程求解。,5.3内力和位移的计算机计算,二.有限单元的刚度分析,使用范围,主要功能,基本假定,5.4剪力墙结构截面设计,截面设计的主要内容：,正截面偏心受压、偏心受拉、平面外竖向荷载轴心受压和斜截面抗剪承载力的计算；抗裂度和裂缝宽度的验算（必要时）；在集中荷载作用下，墙体局部受压承载力的验算；抗震设计时，抗震等级为一级的剪力墙结构，应验算在水平施工缝处竖向钢筋的截面面积；剪力墙连梁的斜截面受剪承载力和正截面受弯承载力的计算。,5.4剪力墙结构截面设计,一.剪力墙正截面承载力计算,一级抗震等级设计的剪力墙各截面弯矩设计值，应符合下列规定:(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。2.抗震设计的双肢剪力墙中，墙肢不宜出现小偏心受拉；当任一墙肢大偏心受拉时，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。,正截面承载力,5.4剪力墙结构截面设计,二.剪力墙斜截面受剪承载力计算,1,2,3,5.4剪力墙结构截面设计,三.施工缝抗滑移能力验算,按一级抗震等级设计的剪力墙，其水平施工缝处的抗滑移能力宜符合下列要求：,式中V水平施工缝处考虑地震作用组合的剪力设计值；A水平施工缝处剪力墙腹板内竖向分布钢筋、竖向插筋和边缘构件纵向钢筋的总截面面积；f竖向钢筋抗拉强度设计值；N水平施工缝处考虑地震作用组合的不利轴向力设计值。,5.4剪力墙结构截面设计,四.连梁剪力设计值调整,连梁的剪力设计值,连梁的斜截面受剪承载力,5.5剪力墙结构构造,一.剪力墙构造要求,1.剪力墙的受剪截面应符合下列要求：,跨高比大于2.5时，,(1)无地震作用组合时,(2)有地震作用组合时,跨高比不大于2.5时，,式中V为剪力墙截面剪力设计值;h为剪力墙截面有效高度；为混凝土强度影响系数；为计算截面处的剪跨比。,5.5剪力墙结构构造,2.高层建筑剪力墙中竖向和水平分布钢筋的布置：当剪力墙截面厚度b不大于400mm时，可采用双排配筋；当b大于400mm，但不大于700mm时，宜采用三排配筋；当b大于700mm时，宜采用四排配筋。,4.抗震设计时，一、二、三级抗震等级的剪力墙底部加强部位，其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比限值如下：,3.矩形截面独立墙肢的截面高度h不宜小于截面厚度b的倍；,各排分布钢筋之间的拉接筋间距不应大于600mm，直径不应小于6mm。,5.5剪力墙结构构造,5.剪力墙可不设约束边缘构件的最大轴压比：,(1)当一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于上述规定值时，应设置约束边缘构件；,剪力墙约束边缘构件的设计要求,(2)当一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比不大于上述规定值时，以及四级剪力墙和非抗震设计的剪力墙，可设置边缘构造构件；,5.5剪力墙结构构造,一、二级抗震设计剪力墙的其他部位以及三、四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙墙肢端部设置的构造边缘构件宜符合下列要求：,第一部分,第二部分,5.5剪力墙结构构造,7.剪力墙分布钢筋的配置应符合下列要求：,(1)一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率，一、二、三级抗震设计时均不应小于0.25%，四级抗震设计和非抗震设计时均不应小于0.20%；,(2)剪力墙竖向和水平分布钢筋间距均不宜大于300mm；钢筋直径不应小于8mm；剪力墙的竖向和水平分布钢筋直径不宜大于墙厚的1/10。,剪力墙竖向、水平分布钢筋的直径不宜大于墙肢截面厚度的1/10。,房屋顶层剪力墙以及长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙、端开间的纵向剪力墙、端山墙的水平和竖向分布钢筋的最小配筋率不应小于0.25%，钢筋间距不应大于200mm。,5.5剪力墙结构构造,10.剪力墙钢筋锚固和连接应符合下列要求：,非抗震设计时，剪力墙纵向钢筋最小锚固长度应取l；抗震设计时，剪力墙纵向钢筋最小锚固长度应取laE。(2)剪力墙竖向及水平分布钢