剪力墙受力及特点

1、剪力墙类型及受力特点剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙及楼盖所组成的空间结构， 承受竖向荷载和水平荷载，是高层建筑中常用的结构形式。由于纵、 横向剪力墙在其自身平而的刚度都很大，在水平荷载作用下，侧移较 小，因此这种结构抗震及抗风性能都较强，承载力要求也比较容易满 足，适宜于建造层数较多的高层建筑。剪力墙主要承受两类荷载：一类是楼板传来的竖向荷载，在地震 区还应包括竖向地震作用的影响；另一类是水平荷载，包括水平风荷 载和水平地震作用。剪力墙的力分析包括竖向荷载作用下的力分析和 水平荷载作用下的力分析。在竖向荷载作用下，各片剪力墙所受的力 比较简单，可按照材料力学原理进行。在水平荷载作用下剪力

2、墙的力 和位移计算都比较复杂，因此木节着重讨论剪力墙在水平荷载作用下 的力及位移计算。一、剪力墙的分类及受力特点为满足使用要求，剪力墙常开有门窗洞口。理论分析和试验研究 表明，剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙上的开洞情 况。洞口是否存在，洞口的大小、形状及位置的不同都将影响剪力墙 的受力性能。剪力墙按受力特性的不同主要可分为整体剪力墙、小开 口整体剪力墙、双肢墙（多肢墙）和壁式框架等几种类型。不同类型 的剪力墙，其相应的受力特点、计算简图和计算方法也不相同，计算 其力和位移时则需采用相应的计算方法。1. 整体剪力墙无洞口的剪力墙或剪力墙上开有一定数量的洞口，但洞口的面积 不超过墙体而

3、积的15%,且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于 洞孔长边尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这种墙体称为整体剪 力墙(或称为悬臂剪力墙)。整体剪力墙的受力状态如同竖向悬臂梁, 截而变形后仍符合平而假定，因而截面应力可按材料力学公式计算， 应力图如图1 (a)所示，变形属弯曲型。2. 小开口整体剪力墙当剪力墙上所开洞口而积稍大且超过墙体面积的15%时，通过洞 口的正应力分布己不再成一直线，而是在洞口两侧的部分横截面上， 其正应力分布各成一直线，如图1 (b)所示。这说明除了整个墙截 而产生整体弯矩外，每个墙肢还出现局部弯矩，因为实际正应力分布, 相当于在沿整个截面直线分布的应力之上叠加局部弯矩

4、应力。但由于 洞口还不很大，局部弯矩不超过水平荷载的悬臂弯矩的15%。因此, 可以认为剪力墙截面变形大体上仍符合平面假定，且大部分楼层上墙 肢没有反弯点。力和变形仍按材料力学计算，然后适当修正。在水平荷载作用下，这类剪力墙截面上的正应力分布略偏离了直 线分布的规律，变成了相当于在整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠 加了墙肢局部弯曲应力，当墙肢中的局部弯矩不超过墙体整体弯矩的 15%时，其截面变形仍接近于整体截而剪力墙，这种剪力墙称之为小 开口整体剪力墙。3. 联肢剪力墙洞口开得比较大，截面的整体性己经破坏，横截而上正应力的分 布远不是遵循沿一根直线的规律，如图1 (c)所示。但墙肢的线刚 度比同

5、列两孔间所形成的连梁的线刚度大得多，每根连梁中部有反弯 点，各墙肢单独弯曲作用较为显著，但仅在个别或少数层，墙肢出现 反弯点。这种剪力墙可视为由连梁把墙肢联结起来的结构体系，故称 为联肢剪力墙。其中，仅由一列连梁把两个墙肢联结起来的称为双肢 剪力墙；由两列以上的连梁把三个以上的墙肢联结起来的称为多肢剪 力墙。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， 剪力墙截而的整体性己被破坏，剪力墙的截而变形己不再符合平截面 假设。这时剪力墙成为由一系列连梁约束的墙肢所组成的联肢墙。开 有一列洞口的联肢墙称为双肢墙，当开有多列洞口时称之为多肢墙。4. 壁式框架洞口开得比联肢剪力墙更宽，墙肢宽度

6、较小，墙肢与连梁刚度接 近时，墙肢明显出现局部弯矩，在许多楼层有反弯点。剪力墙的力分 布接近框架，故称壁式框架。壁式框架实质是介于剪力墙和框架之间 的一种过渡形式，它的变形己很接近剪切型。只不过壁柱和壁梁都较 宽，因而在梁柱交接区形成不产生变形的刚域。当剪力墙的洞口尺寸较大，墙肢宽度较小，连梁的线刚度接近于 墙肢的线刚度时，剪力墙的受力性能己接近于框架，这种剪力墙称为 壁式框架。=二、各类剪力墙力与位移计算要点剪力墙结构随着类型和开洞大小的不同，计算方法和计算简 图也不同。整体墙和小开口整体墙的计算简图基木上是单根竖向 悬臂杆，计算方法按材料力学公式（对整体墙不修正，对小开口 整体墙修正）计算

7、。其他类型剪力墙，其计算简图均无法用单根 竖向悬臂杆代表，而应按能反映其性态的结构体系计算。1. 整体剪力墙对于整体剪力墙，在水平荷载作用下，根据其变形特征（截 面变形后仍符合平而假定），可视为一整体的悬臂弯曲杆件，用材 料力学中悬臂梁的力和变形的基本公式进行计算。（1）力计算整体墙的力可按上端自由，下端固定的悬臂构件，用材料力 学公式，计算其任意截面的弯矩和剪力。总水平荷载可以按各片 剪力墙的等效抗弯刚度分配，然后进行单片剪力墙的计算。剪力墙的等效抗弯刚度（或叫等效惯性矩）就是将墙的弯曲、 剪切和轴向变形之后的顶点位移，按顶点位移相等的原则，折算成一个只考虑弯曲变形的等效竖向悬臂杆的刚度。（

8、2）位移计算整体墙的位移，如墙顶端处的侧向位移，同样可以用材料力 学的公式计算，但由于剪力墙的截面高度较大，故应考虑剪切变 形对位移的影响。当开洞时，还应考虑洞口对位移增大的影响。2. 小开口整体剪力墙小开口墙是指门窗洞口沿竖向成列布置，洞口的总而积虽超 过墙总面积的15%,但仍属于洞口很小的开孔剪力墙。通过实验 发现，小开口剪力墙在水平荷载作用下的受力性能接近整体剪力 墙，其截而在受力后基本保持平面，正应力分布图形也大体保持 直线分布，各墙肢中仅有少量的局部弯矩；沿墙肢高度方向，大 部分楼层中的墙肢没有反弯点。在整体上，剪力墙仍类似于竖向 悬臂杆件。就为利用材料力学公式计算力和侧移提供了前提

9、，再 考虑局部弯曲应力的影响，进行修正，则可解决小开口剪力墙的 力和侧移计算。首先将整个小开口剪力墙作为一个悬臂杆件，按材料力学公 式算出标高z处的总弯矩、总剪力和基底剪力。=其次，将总弯矩分为两部分：1）产生整体弯曲的总弯矩（占总弯矩的85%）, 2）产生局部弯曲的总弯矩（占15%）。（1）墙肢弯矩计算 第i墙肢受到的整体弯曲的弯矩为：(1)式中一一墙肢i的惯性矩；J剪力墙整个截面的惯性矩(2)墙肢剪力计算墙肢剪力，底层按墙肢截而而积分配；其余各层墙肢剪力， 可按材料力学公式计算截面面积和惯性矩比例的平均值分配剪 力，第i墙肢分配到的剪力可近似地表达为：(2)式中，为墙肢截面面积。(3) 顶

10、点位移计算考虑到开孔后刚度的削弱，应将整体墙的水平位移计算结果 乘 1. 20 o3. 双肢剪力墙联肢墙由于门窗洞口尺寸较大，墙截面上的正应力不再成直 线分布，其受力和变形发生了变化，墙肢的线刚度比连梁的线刚 度大得多，每根连梁中部有反弯点，各墙肢单独弯曲作用较显著, 仅在少数层墙肢出现反弯点，故需采用相应方法分析。墙而上开有一排洞口的墙称双肢墙；当开有多排洞口时，称多肢墙。双肢墙由于连系梁的连结，而使双肢墙结构在力分析时成为 一个高次超静定的问题。为了简化计算，一般可用解微分方程的 办法(连续连杆法)计算。=(1)基本假定a) 将每一楼层处的连系梁简化为均匀连续分布的连杆，见 图4；b) 忽

11、略连系梁的轴向变形，即假定两墙肢在同一标高处的 水平位移相等；c) 假定两墙肢在同一标高处的转角和曲率相等，即变形曲 线相同；d) 假定各连系梁的反弯点在该连系梁的中点；f)认为双肢墙的层高h、惯性矩、；截面积、；连系梁的 截面积和惯性矩等参数，沿墙高度方向均为常数。根据以上假定，可得双肢墙的计算简图，如图4 (b)所示。=(2)力及侧移计算将连续化后的连续梁沿中线切开，见图4 (c),由于跨中为 反弯点，故切开后在截而上只有剪力集度V (z)及轴力集度。根 据外荷载、V (z)及共同作用下，沿V (z)方向的相对位移等于 零的变形协调条件，可建立一个二阶常系数非齐次线性微分方程, 考虑边界条

12、件后，可求得微分方程的解，进而可求得双肢剪力墙 在水平荷载作用下的力和侧移。4. 多肢剪力墙具有多于一排且排列整齐的洞口时，就成为多肢剪力墙。多 肢墙也可以采用连续连杆法求解，基木假定和基木体系取法都和 双肢墙类似。由于墙肢及洞口数目比双肢墙多，因此沿竖向切口 的基本未知量将相应增多。在每个连梁切口处建立一个变形协调 方程，则可建立k个微分方程。要注意，在建立第i个切口处协 调方程时，除了 i跨连梁力影响外，还要考虑第i-1跨连梁力和 第i+1跨连梁力对i墙肢的影响，这是与双肢剪力墙的一个明显 区别。三、剪力墙的分类判别式以上讨论了按整体计算的剪力墙、小开口整体剪力墙、双肢 墙、多肢墙等四种类

13、型的剪力墙。整体剪力墙如一根悬臂杆件，在墙肢整个高度方向上，弯矩 图既不发生突变又不出现反弯点，变形曲线以弯曲型为主；小开 口墙与双、多肢剪力墙，在连梁高度处的墙肢弯矩有突变，但在 整个墙肢的高度方向上，它没有或仅仅在个别楼层才岀现反弯点, 剪力墙的变形曲线依然以弯曲型为主。各类剪力墙因外形和洞口大小的不同，受力特点也不同，不 但在墙肢截而上的正应力分布有区别，而且沿墙肢高度方向上弯 矩的变化规律也不同，见图5o从图5 (c)、(d)、(e)中可 看出，这类剪力墙在连系梁处有弯矩突变。其主要原因是因为连 系梁对墙肢有约束作用，发生突变的弯矩值的大小，主要取决于 连系梁刚度与墙肢刚度的比值。当剪力墙上的门窗洞口很大，连 系梁的刚度很小而墙肢的刚度又相对较大时，连系梁对墙肢的约 束作用很小，连系梁犹如较接于墙肢的一个连杆，每一个墙肢相 当于一个单肢的剪力墙，水平荷载全部由这些单肢墙承担，墙肢 截面中正应力呈线性分布，轴力为零，见图5 (b) o反之，当剪 力墙上的洞口很小，连系梁对墙肢的约束作用很强时，整个剪力 墙的整体性很好，例如小开口整体墙(5 (c),在整个剪力墙 的截面中，正应力呈