高层建筑结构设计（申彦利）第七章钢筋混凝土剪力墙设计.ppt

1、22:30,高层建筑结构设计 Design of High-rise Building,22:30,第七章 钢筋混凝土剪力墙设计 Chapter 7 strength design of shear wall structure,7.1 概述,7.2 墙肢设计,7.3 连梁设计,22:30,在钢筋混凝土房屋建筑结构中，除框架结构外，其他结构体系都有剪力墙。剪力墙刚度大，容易满足风或小震作用下层间位称角的限值及风作用下的舒适度的要求，承载能力大。 剪力墙经过合理设计，可以具有良好的抗剪、抗弯及塑性变形性能，形成延性剪力墙结构，在高层建筑中成为一种有效的抗侧力结构。 在地震区设置剪力墙（或由剪力墙

2、组成的筒体），可以改善结构的抗震性能，因此，剪力墙也称为抗震墙,22:30,剪力墙可分为不同的类型,22:30,实体墙只有墙肢构件，开洞剪力墙由墙墙肢和连梁两种构件组成。 在竖向力和水平力作用下，墙肢的内力有轴力、弯矩和剪力，连梁的内力主要是弯矩和剪力，轴力很小，可忽略不计,22:30,墙体承受轴力、弯矩、剪力的共同作用，它应当符合钢筋混凝土压弯构件的基本规律。 与柱子相比，它的截面往往薄而长（受力方向截面高宽比大于4时，按剪力墙截面设计），沿截面长方向要布置许多分布钢筋，同时，截面抗剪问题也较为突出,22:30,剪力墙和柱截面的配筋计算和配筋构造都略有不同,22:30,在剪力墙内，由竖向钢筋

3、抗弯，水平钢筋抗剪；要进行正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力计算。必要时，还要进行抗裂度和裂缝宽度的验算,22:30,为了实现延性剪力墙，剪力墙的抗震设计应符合下述原则： 1、强墙弱梁 2、强剪弱弯 3、限制墙肢的轴压比和墙肢设置边缘构件 4、加强重点部位 5、连梁特殊措施,22:30,1、强墙弱梁 连梁屈服先于墙肢屈服，使塑性变形和耗能分散于连梁中，避免因墙肢过早屈服使塑性变形集中在某一层而形成软弱层或薄弱层,22:30,2、强剪弱弯 侧向力作用下变形曲线为弯曲型和弯剪型的剪力墙，一般会在墙肢底部一定高度内屈服形成塑性铰，通过适当提高塑性铰范围及其以上相邻范围的抗剪承载力，实现墙肢强剪弱弯、

4、避免墙肢剪切破坏。 对于连梁，与框架梁相同，通过剪力增大系数调整剪力设计值，实现强剪弱弯,22:30,3、限制墙肢的轴压比和墙肢设置边缘构件 与钢筋混凝土柱相同，轴压比是影响墙肢抗震性能的主要因素之一。限制底部加强部位墙肢的轴压比、设置边缘构件是提高剪力墙抗震性能的重要措施,22:30,4、加强重点部位 剪力墙底部加强部位是其重点部位。剪力墙底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者中的较大值，且不大于15m；部分框支剪力墙结构的剪力墙，其底部加强部位的高度，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1/8二者中的较大值,22:30,5、连梁特殊措施 普通配筋的、跨高

5、比小的连粱很难成为延性构件，对抗震等级高的、跨高比小的连梁采取特殊措施，使其成为延性构件,22:30,22:30,非抗震和抗震设计的剪力墙应分别按无地震作用和有地震作用进行荷载效应组合，取控制截面的最不利组合内力或对其调整后的内力(统称为内力设计值)进行配筋设计。 墙肢的控制截面一般取墙底截面以及改变墙厚、改变混凝土强度等级、改变配筋量的截面,一、内力设计值,22:30,为加强抗震等级为一级的剪力墙的抗震能力，保证在墙底部出现塑性铰，其弯矩设计值取法如下： 、底部加强部位及以上一层，采用墙肢底部截面组合的弯矩计算值； 、其他部位，取墙肢截面最不利组合的弯矩计算值乘以增大系数12作为弯矩设计值。

6、 其他抗震等级和非抗震设计的剪力墙的弯矩设计值，采用墙肢截面最不利组合的弯矩计算值,一、内力设计值,22:30,小偏心受拉时墙肢全截面受拉，混凝土开裂贯通整个截面高度，不宜采用小偏心受拉的墙肢，可通过调整剪力墙长度或连梁尺寸避免出现小偏心受拉的墙肢。 在工程中，一般宜使墙的长度不超过8m。此外，减小连梁高度也可减小墙肢轴力,一、内力设计值,22:30,双肢剪力墙的一个墙肢为大偏心受拉时，另一墙肢的剪力设计值、弯矩设计应值乘以增大系数1.25。原因是：当一个墙肢出现水平裂缝时，刚度降低，由于内力重分布而剪力向无裂缝的另一个墙肢转移，使另一个墙肢内力加大,一、内力设计值,22:30,一、内力设计值

7、,22:30,墙肢在轴力和弯矩作用下的承载力计算与柱相似，区别在于剪力墙的墙肢除在端部配置竖向抗弯钢筋外，还在端部以外配置竖向和横向分布钢筋，竖向分布钢筋参与抵抗弯矩，横向分布钢筋抵抗剪力，计算承载力时应包括分布钢筋的作用。 分布钢筋一般比较细，容易压曲，为简化计算，验算压弯承载力时不考虑受压竖向分布钢筋的作用,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,在极限状态下，墙肢截面相对受压区高度不大于其相对界限受压区高度时，为大偏心受压破坏。 采用以下假定建立墙肢截面大偏心受压承载力计算公式,1、大偏心受压承载力计算,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,假定： 、截面变形符合平截面假定； 、不考虑

8、受拉混凝土的作用； 、受压区混凝土的应力图用等效矩形应力图替换,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,墙肢端部的纵向受拉、受压钢筋屈服； 、从受压区边缘算起1.5x(x为等效矩形应力图受压区高度)范围以外的受拉竖向分布钢筋全部屈服并参与受力计算， 1.5x范围以内的竖向分布钢筋未受拉屈服或为受压，不参与受力计算,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,由上述假定，极限状态下矩形墙肢截面的应力图形如下图,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,由图，根据N=0和M=0两个平衡条件，建立方程。、对称配筋时，As=As 由N=0得,整理得等效矩形应力图受压区高度x,二、墙肢偏心受压承载力计算,22

9、:30,由图，根据M=0，对受压区中心取矩，得,忽略式中x2项，化简后得,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,令,则,截面承载力验算要求,墙肢的弯矩设计值,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,工程设计时,给定竖向分布钢筋的截面面积Asw,计算x值,求出Msw,计算端部钢筋面积As,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,不对称配筋时，AsAs 由N=0得,当已知受拉钢筋面积时，由M=0 ，对受压钢筋重心取矩，得,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,当已知受压钢筋面积时，由M=0 ，对受压钢筋重心取矩，得,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,工程设计时,计算x值,计算端部钢筋面积

10、As,给定Asw，并给定一端的端部钢筋面积As或As,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,当墙肢截面为T形或I形时，可参考T形或I形截面柱的偏心受压承载力的计算方法计算配筋。计算时，首先要判断中和轴的位置，然后计算钢筋的面积。 混凝土受压区高度应符合x2a的条件，不满足时，取x=2a,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,在极限状态下，墙肢截面混凝土相对受压区高度大于其相对界限受压区高度时为小偏心受压。剪力墙墙肢截面小偏心受压破坏与小偏心受压柱相同，截面大部分或全部受压。由于受压较大一边的混凝土达到极限压应变而丧失承载力。靠近受压较大边的端部钢筋及竖向分布钢筋屈服，但计算中不考虑竖向分布

11、压筋的作用,2小偏心受压承载力计算,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,受拉区的竖向分布钢筋未屈服，计算中也不考虑其作用。这样，墙肢截面极限状态的应力分布与小偏心受压柱完全相同，承载力计算方法也相同。 截面受力简图见下页,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,墙肢小偏心受压截面应力分布图,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,由图，根据N=0和M=0两个平衡条件，建立基本方程,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,采用HPB235级和HRB335级热轧钢筋时，截面相对受压区高度值可用下述近似计算公式,由基本计算公式可得,对称配筋时，As=As,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,

12、不对称配筋时，AsAs,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,如果 ，即全截面受压，取x=hw ，则As 可由下式计算得到,竖向分布钢筋按构造要求设置。 小偏心受压时，还要验算墙肢平面外的稳定。这时可按轴心受压构件计算,二、墙肢偏心受压承载力计算,22:30,墙肢在弯矩M和轴向拉力N作用下，当M/Nhw/2-a时，为大偏心受拉，墙肢截面大部分受拉、小部分受压。假定距受压区边缘1.5x范围以外的受拉分布钢筋屈服并参与工作，截面应力分布图形如下页图所示。由平衡条件可知，大偏心受拉承载力的计算公式与大偏心受压相同，只需将轴向力N变号,三、墙肢偏心受拉承载力计算,22:30,墙肢大偏心受拉截面应力分

13、布图,三、墙肢偏心受拉承载力计算,22:30,如图，矩形截面对称配筋时，根据N=0得,由上式求得受压区高度x,三、墙肢偏心受拉承载力计算,22:30,与大偏压承载力公式类似，根据M=0，对受压区中心取矩，得,忽略式中x2项，化简后得,三、墙肢偏心受拉承载力计算,22:30,令,则,与大偏心受压相同，在先给定竖向分布钢筋面积Asw，为保证截面有受压区，即要求x0，即要求竖向分布钢筋面积应符合下式,三、墙肢偏心受拉承载力计算,22:30,同时，分布钢筋应满足最小配筋率要求，在两者中选择较大的sw，然后按下式计算端部钢筋面积,当拉力较大、偏心矩 时，全截面受拉，属于小偏心受拉,三、墙肢偏心受拉承载力

14、计算,22:30,抗震和非抗震设计的剪力墙的墙肢偏心受压和偏心受拉承载力的计算公式相同。抗震设计时，承载力计算公式应除以承载力抗震调整系数 ，偏心受压、受拉时 都取O.85。注意，在计算受压区高度x和计算分布钢筋抵抗矩Msw的公式中，N要乘以,三、墙肢偏心受拉承载力计算,22:30,墙肢(实体墙)的斜截面剪切破坏大致可以归纳为三种破坏形态： (1)、剪拉破坏 (2)、斜压破坏 (3)、剪压破坏,1、墙肢斜截面剪切破坏形态,四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,剪跨比较大、无横向钢筋或横向钢筋很少的墙肢，可能发生剪拉破坏。斜裂缝出现后即形成一条主要的斜裂缝，并延伸至受压区边缘，使墙肢劈裂为两

15、部分而破坏。竖向钢筋锚固不好时也会发生类似的破坏。剪拉破坏属脆性破坏，应避免,1)、剪拉破坏,四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,斜裂缝将墙肢分割为许多斜的受压柱体，混凝土被压碎而破坏。斜压破坏发生在截面尺寸小、剪压比过大的墙肢。为防止斜压破坏，墙肢截面尺寸不应过小，应限制截面的剪压比,2)、斜压破坏,四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,这是最常见的墙肢剪切破坏形态。实体墙在竖向力和水平力共同作用下，首先出现水平裂缝或细的倾斜裂缝。水平力增加，出现一条主要斜裂缝，并延伸扩展，混凝土受压区减小，最后斜裂缝尽端的受压区混凝土在剪应力和压应力共同作用下破坏，横向钢筋屈服,3)、剪压破坏,

16、四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,墙肢斜截面受剪承载力计算公式主要建立在剪压破坏的基础上。受剪承载力由两部分组成：横向钢筋的受剪承载力和混凝土的受剪承载力。 作用在墙肢上的轴向压力加大了截面的受压区，提高受剪承载力；轴向拉力对抗剪不利，降低受剪承载力。计算墙肢斜截面受剪承载力时，应计入轴力的有利或不利影响,四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,2、偏心受压斜截面受剪承载力,偏心受压墙肢的受剪承载力计算公式为: 无地震作用组合时,有地震作用组合时,四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,3、偏心受拉斜截面受剪承载力,大偏心受拉时，墙肢截面还有部分受压区，混凝土仍可以抗剪，但轴向拉力

17、对抗剪不利。验算公式为： 无地震作用组合时,有地震作用组合时,四、墙肢斜截面受剪承载力计算,22:30,1、混凝土强度等级 2、最小截面尺寸 3、分布钢筋 4、轴压比限值 5、边缘构件 6、钢筋连接,五、墙肢构造要求,22:30,连梁的特点是跨高比小，住宅、旅馆剪力墙结构的连梁的跨高比往往小于 2.0，甚至不大于1.0，在侧向力作用下，连梁比较容易出现剪切斜裂缝，见图,前 言,22:30,按照延性剪力墙强墙弱梁要求，连梁屈服应先于墙肢屈服，即连梁首先形成塑性铰耗散地震能量；连梁应当强剪弱弯，避免剪切破坏。 一般剪力墙中，可采用降低连梁的弯矩设计值的方法，使连梁先于墙肢屈服和实现弯曲屈服,前 言

18、,22:30,由于连梁跨高比小，很难避免斜裂缝及剪切破坏，必须采取限制连梁名义剪应力等措施推迟连梁的剪切破坏。对于延性要求高的核心筒连梁和框简裙梁，可采用特殊措施，如配置交叉斜筋或交叉暗撑，改善连梁受力性能,前 言,22:30,为了使连梁弯曲屈服，应降低连梁的弯矩设计值，方法是弯矩调幅。调幅的方法有两个： 、在小震作用下的内力和位移计算时，通过折减连粱的刚度，使连梁的弯矩、剪力值减小。设防烈度为6、7度时，折减系数不小于0.7；8、9度时，折减系数不小于0.5。折减系数不能过小，以保证连梁有足够的承受竖向荷载的能力,1、弯矩设计值,一、连梁内力设计值,22:30,按连梁弹性刚度计算内力和位移，

19、将弯矩组合值乘以折减系数。抗震设防烈度为6度和7度，折减系数不小于0.8；8度和9度时，不小于0.5。用这种方法时应适当增加其他连梁的弯矩设计值，以补偿静力平衡,一、连梁内力设计值,22:30,连 梁 弯 矩 调 幅,一、连梁内力设计值,22:30,非抗震设计及四级剪力墙的连梁，取最不利组合的剪力计算值作为其剪力设计值。 一、二、三级剪力墙的连梁，按强剪弱弯要求调整连梁梁端截面组合的剪力计算值，调整后的剪力作为设计值,2、剪力设计值,一、连梁内力设计值,22:30,连梁截面剪力设计值Vb按下式计算,9度抗震设计时还需符合下式,一、连梁内力设计值,22:30,1、受弯承载力验,连梁可按普通梁的方法计算受弯承载力。连梁通常采用对称配筋（即As=As ），验算公式可以简化如下： 无地震作用组合时： 有地震作用组合时,二、承载力验算,22:30,2、受剪承载力验算,跨高比较小的连梁斜裂缝扩展到全对角线上，在地震往复作用下，受剪承载力降低。连梁的受剪承载力按下式验算,无地震作用组合,二、承载力验算,22:30,跨高比大于2.5时：