剪力墙受力及特点

1、剪力墙类型及受力特点剪力墙结构就是由一系列纵向、 横向剪力墙及楼盖所组成得空间结构 , 承受竖向荷载与水平荷载 , 就是高层建筑中常用得结构形式。 由于纵、横向剪力墙在其自身平面内得刚度都很大 , 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得高层建筑。剪力墙主要承受两类荷载 : 一类就是楼板传来得竖向荷载 , 在地震区还应包括竖向地震作用得影响 ; 另一类就是水平荷载 , 包括水平风荷载与水平地震作用。 剪力墙得内力分析包括竖向荷载作用下得内力分析与水平荷载作用下得内力分析。在竖向荷载作用下 , 各片剪力墙所受得内

2、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墙得内力与位移计算都比较复杂 , 因此本节着重讨论剪力墙在水平荷载作用下得内力及位移计算。一、剪力墙得分类及受力特点为满足使用要求 , 剪力墙常开有门窗洞口。理论分析与试验研究表明 , 剪力墙得受力特性与变形状态主要取决于剪力墙上得开洞情况。洞口就是否存在 , 洞口得大小、形状及位置得不同都将影响剪力墙得受力性能。 剪力墙按受力特性得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 ) 与壁式框架等几种类型。 不同类型得剪力墙 , 其相应得受力特点、 计算简图与计算方法也不相同 , 计算其内力与位移时则需采用相应得计算

3、方法。1. 整体剪力墙无洞口得剪力墙或剪力墙上开有一定数量得洞口 , 但洞口得面积不超过墙体面积得 15%,且洞口至墙边得净距及洞口之间得净距大于洞孔长边尺寸时 , 可以忽略洞口对墙体得影响 , 这种墙体称为整体剪力墙 ( 或称为悬臂剪力墙 ) 。整体剪力墙得受力状态如同竖向悬臂梁 , 截面变形后仍符合平面假定 , 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面积稍大且超过墙体面积得 15%时, 通过洞口得正应力分布已不再成一直线 , 而就是在洞口两侧得部分横截面上 , 其正应力分布各成一直线 , 如图 1(b)

4、所示。这说明除了整个墙截面产生整体弯矩外 , 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得应力之上叠加局部弯矩应力。 但由于洞口还不很大 , 局部弯矩不超过水平荷载得悬臂弯矩得 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。内力与变形仍按材料力学计算 , 然后适当修正。在水平荷载作用下 , 这类剪力墙截面上得正应力分布略偏离了直线分布得规律 , 变成了相当于在整体墙弯曲时得直线分布应力之上叠加了墙肢局部弯曲应力, 当墙肢中得局部弯矩不超过墙体整体弯矩得15%时, 其截面变形仍接近于整体截面剪力墙, 这种剪力墙称

5、之为小开口整体剪力墙。3. 联肢剪力墙洞口开得比较大 , 截面得整体性已经破坏 , 横截面上正应力得分布远不就是遵循沿一根直线得规律 , 如图 1(c) 所示。但墙肢得线刚度比同列两孔间所形成得连梁得线刚度大得多 , 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内 , 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得结构体系 , 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得称为双肢剪力墙 ; 由两列以上得连梁把三个以上得墙肢联结起来得称为多肢剪力墙。当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大得洞口时 , 由于洞口较大 , 剪力墙截面得整体性已被破坏

6、, 剪力墙得截面变形已不再符合平截面假设。这时剪力墙成为由一系列连梁约束得墙肢所组成得联肢墙。 开有一列洞口得联肢墙称为双肢墙 , 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 , 在许多楼层内有反弯点。 剪力墙得内力分布接近框架 , 故称壁式框架。壁式框架实质就是介于剪力墙与框架之间得一种过渡形式 , 它得变形已很接近剪切型。只不过壁柱与壁梁都较宽 , 因而在梁柱交接区形成不产生变形得刚域。当剪力墙得洞口尺寸较大 , 墙肢宽度较小 , 连梁得线刚度接近于墙肢得线刚度时 , 剪力墙得受力性能已接近于框

7、架 , 这种剪力墙称为壁式框架。二、各类剪力墙内力与位移计算要点剪力墙结构随着类型与开洞大小得不同, 计算方法与计算简图也不同。整体墙与小开口整体墙得计算简图基本上就是单根竖向悬臂杆 , 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。其她类型剪力墙, 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得结构体系计算。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面假定 ), 可视为一整体得悬臂弯曲杆件 , 用材料力学中悬臂梁得内力与变形得基本公式进行计算。(1) 内力计算整体墙得内力可按上端自由 , 下端

8、固定得悬臂构件 , 用材料力学公式 , 计算其任意截面得弯矩与剪力。 总水平荷载可以按各片剪力墙得等效抗弯刚度分配 , 然后进行单片剪力墙得计算。剪力墙得等效抗弯刚度 ( 或叫等效惯性矩 ) 就就是将墙得弯曲、剪切与轴向变形之后得顶点位移 , 按顶点位移相等得原则 , 折算成一个只考虑弯曲变形得等效竖向悬臂杆得刚度。(2) 位移计算整体墙得位移 , 如墙顶端处得侧向位移 , 同样可以用材料力学得公式计算 , 但由于剪力墙得截面高度较大 , 故应考虑剪切变形对位移得影响。当开洞时 , 还应考虑洞口对位移增大得影响。2. 小开口整体剪力墙小开口墙就是指门窗洞口沿竖向成列布置 , 洞口得总面积虽超过

9、墙总面积得 15, 但仍属于洞口很小得开孔剪力墙。通过实验发现 , 小开口剪力墙在水平荷载作用下得受力性能接近整体剪力墙 , 其截面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 , 各墙肢中仅有少量得局部弯矩 ; 沿墙肢高度方向 , 大部分楼层中得墙肢没有反弯点。 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内力与侧移提供了前提 , 再考虑局部弯曲应力得影响 , 进行修正 , 则可解决小开口剪力墙得内力与侧移计算。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 处得总弯矩、总剪力与基底剪力。其次 , 将总弯矩分为两部分:1) 产生整体

10、弯曲得总弯矩( 占总弯矩得 85),2) 产生局部弯曲得总弯矩 ( 占 15) 。(1) 墙肢弯矩计算第 i 墙肢受到得整体弯曲得弯矩为:(1)式中墙肢 i 得惯性矩 ;J剪力墙整个截面得惯性矩(2) 墙肢剪力计算墙肢剪力 , 底层按墙肢截面面积分配; 其余各层墙肢剪力, 可按材料力学公式计算截面面积与惯性矩比例得平均值分配剪力 , 第 i 墙肢分配到得剪力可近似地表达为 :(2)式中 , 为墙肢截面面积。(3) 顶点位移计算考虑到开孔后刚度得削弱, 应将整体墙得水平位移计算结果乘 1、20。3. 双肢剪力墙联肢墙由于门窗洞口尺寸较大, 墙截面上得正应力不再成直线分布 , 其受力与变形发生了变

11、化, 墙肢得线刚度比连梁得线刚度大得多 , 每根连梁中部有反弯点, 各墙肢单独弯曲作用较显著, 仅在少数层内墙肢出现反弯点, 故需采用相应方法分析。墙面上开有一排洞口得墙称双肢墙; 当开有多排洞口时 , 称多肢墙。双肢墙由于连系梁得连结 , 而使双肢墙结构在内力分析时成为一个高次超静定得问题。 为了简化计算 , 一般可用解微分方程得办法 ( 连续连杆法 ) 计算。(1) 基本假定a) 将每一楼层处得连系梁简化为均匀连续分布得连杆, 见图4;b) 忽略连系梁得轴向变形 , 即假定两墙肢在同一标高处得水平位移相等 ;c) 假定两墙肢在同一标高处得转角与曲率相等 , 即变形曲线相同 ;d) 假定各连

12、系梁得反弯点在该连系梁得中点 ;f) 认为双肢墙得层高 h、惯性矩、 ; 截面积、 ; 连系梁得截面积与惯性矩等参数 , 沿墙高度方向均为常数。根据以上假定 , 可得双肢墙得计算简图 , 如图 4(b) 所示。(2) 内力及侧移计算点,将连续化后得连续梁沿中线切开故切开后在截面上只有剪力集度, 见图 4(c), 由于跨中为反弯V(z) 及轴力集度。根据外荷载、 V(z) 及共同作用下 , 沿 V(z) 方向得相对位移等于零得变形协调条件 , 可建立一个二阶常系数非齐次线性微分方程 , 考虑边界条件后 , 可求得微分方程得解 , 进而可求得双肢剪力墙在水平荷载作用下得内力与侧移。4. 多肢剪力墙

13、具有多于一排且排列整齐得洞口时 , 就成为多肢剪力墙。 多肢墙也可以采用连续连杆法求解 , 基本假定与基本体系取法都与双肢墙类似。由于墙肢及洞口数目比双肢墙多 , 因此沿竖向切口得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 跨连梁内力影响外 , 还要考虑第 i-1 跨连梁内力与第 i+1 跨连梁内力对 i 墙肢得影响 , 这就是与双肢剪力墙得一个明显区别。三、剪力墙得分类判别式以上讨论了按整体计算得剪力墙、小开口整体剪力墙、双肢墙、多肢墙等四种类型得剪力墙。整体剪力墙如一根悬臂杆件 ,

14、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 , 在连梁高度处得墙肢弯矩有突变 , 但在整个墙肢得高度方向上 , 它没有或仅仅在个别楼层才出现反弯点 , 剪力墙得变形曲线依然以弯曲型为主。各类剪力墙因外形与洞口大小得不同 , 受力特点也不同 , 不但在墙肢截面上得正应力分布有区别 , 而且沿墙肢高度方向上弯矩得变化规律也不同 , 见图 5。从图 5(c) 、(d) 、(e) 中可瞧出 , 这类剪力墙在连系梁处有弯矩突变。其主要原因就是因为连系梁对墙肢有约束作用 , 发生突变得弯矩值得大小 , 主要取决于连系梁刚度与墙肢刚度得比值。 当剪力墙上得门窗洞口很大 , 连系梁得刚度很小而墙肢得刚度又相对较大时 , 连系梁对墙肢得约束作用很小 ,连系梁犹如铰接于墙肢得一个连杆 , 每一个墙肢相当于一个单肢得剪力墙 , 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) 。反之, 当剪力墙上得洞口很小 , 连系梁对墙肢得约束作用很强时 , 整个剪力墙得整体性很好 , 例如小开口整体墙 (5(c), 在整个剪力墙得截面中 , 正应力呈线性分