高层建筑结构设计第七章剪力墙设计

1、第7章 钢筋混凝土剪力墙设计 刚度大，容易满足风或小震作用下层间位移角的限值及风载作用下的舒适度的要求； 承载能力大； 合理设计的剪力墙具有良好的延性和耗能能力； 与框架一起抗侧力时，可以适当降低结构对框架的抗震要求，是钢筋混凝土房屋中的主要抗侧力结构单元。(a) 实体墙结构：实体墙结构：不开洞或开洞率很小，以墙肢为构件；(b) 联肢墙结构：联肢墙结构：开洞剪力墙，洞口排列整齐。墙肢、连梁是主要构件；墙肢应进行平面内的偏心受压或偏心受拉和斜截面受剪承载力验算。连梁的轴力很小可以忽略。连梁应进行受弯和受剪承载力验算。(c)框支剪力墙结构：框支剪力墙结构：底部一层或几层为框架结构，上部为剪力墙结构

2、。 框支剪力墙结构的底部框架刚度锐减(刚度突变)，易形成薄弱层, 不利于结构抗震。 在底部框支层内应布置部分落地剪力墙，形成部分框支剪力墙结构。 落地剪力墙可以适当以补强底部框支层的刚度，应满足最大间距以及足够刚度的要求；同时，框支柱、框支层楼面刚度也应加强。(d)剪力墙的边缘构件：剪力墙的边缘构件：设在剪力墙边缘，类似于框架柱的端柱或暗柱，或与墙平面垂直的翼墙，称剪力墙边缘构件。边缘构件可以有效提高剪力墙结构的整体抗震性； 边缘构件分有约束边缘构件和构造边缘构件。重要部位应设约束边缘构件，其余部分可设构造边缘构件。 (e) 核心筒结构：核心筒结构：设在建筑结构中部的钢筋混凝土薄壁井筒，薄壁井

3、筒平面尺度一般不很大，筒体结构刚度很大，核心筒能有效提高结构的抗剪能力和整体刚度；剪力墙抗震设计时应遵循的延性设计原则 1. 强墙弱梁使连梁屈服先于墙肢屈服，使塑性变形和耗能分散于连梁中，避免塑性变形集中在某一软弱层或薄弱层。2. 强剪弱弯一般通过适当提高弯曲型和弯剪型剪力墙墙肢底部的塑性铰范围墙肢底部的塑性铰范围及其以上相邻层的抗剪承载力，实现墙肢强剪弱弯、避免墙体剪切破坏。通过剪力增大系数调整连梁及框架梁的剪力设计值，实现强剪弱弯。3. 限制墙肢的轴压比，设墙肢边缘构件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、设边缘构件是提高剪力墙抗震性能的重要措施。4. 加强

4、重点部位： （剪力墙底部、框支层的柱及框支层楼面、一级抗震剪力墙） 剪力墙底部加强部位的高度:H1=max(1/8Hw，底部两层)，但H115m； 部分框支剪力墙结构的剪力墙，底部加强部位的高度：H1=max(框支层及其以上两层的高度，落地剪力墙1/8Hw )。 适当提高底部加强部位的抗剪承载力、限制底部加强部位墙肢的轴压比，加强该部位的抗震构造措施；另还需要提高一级抗震剪力墙的抗弯承载力。5. 连梁特殊措施对抗震等级高的、跨高比小的连梁应采取特殊措施，使其成为延性构件。7.2 墙 肢 设 计在轴压力和水平力的作用下，墙肢的破坏形态也可以归纳为 ：图7-2 实体墙的破坏形态 实际工程中，可能出

5、现滑移破坏的位置是施工缝截面。因此，抗震等级一级的剪力墙要进行施工缝截面抗滑移验算，无地下室且墙肢底截面为偏心受拉时，墙肢与基础交接面应另设防滑斜筋。 721 内力设计值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、向上墙厚改小处、混凝土强度等级改小处、配筋量改小处、内力改变处的截面。抗震等级为一级的剪力墙，弯矩设计值按以下方法取值: 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1.2作为弯矩

6、设计值。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。 双肢剪力墙，墙肢不宜为小偏心受拉，小偏心受拉墙肢全截面受拉，混凝土裂缝贯通整个截面。可通过调整洞口及连梁尺寸改变墙体的内力状态。剪力墙墙肢过长，易形成剪切破坏机制，所以，宜使Hwhw/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图7-5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。 竖向分布钢筋抵抗的弯矩为：01/5 . 1wswywwcswywhAfbfNAfx)1)(1

7、 (200swywwwswywswAfNhxhAfM墙肢小偏心受拉压截面应力分布 端部钢筋抵抗的弯矩为： M0= fyAs (hwo-a ) (7-15) 与大偏心受压相同，应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，得竖向分布钢筋面积： AswN/fyv (7-16) 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Asw。然后计算端部钢筋面积： As(M-Msw)/fyv(hwo-a ) (7-17) 当拉力较大、偏心矩e0=M/Nhwo/2-a 时，全截面受拉，属小偏心受拉。 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，

8、承载力计算公式应除以承载力抗震调整系数RE， (偏心受压、受拉时RE = 0.85 )。注意，在计算受压区高度。和计算分布钢筋抵抗矩 Msw的公式中，N也要乘以RE。 7.2.4 墙肢斜截面受剪承载力计算 (2) 斜压斜压破坏：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。为防止脆性的斜压破坏，墙肢截面尺寸不应过小，应限制截面剪压比。(3)剪压剪压破坏：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，一条主要斜裂缝形成并扩展，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。剪压破坏具有一定

9、的延性，墙剪压破坏形态。 墙肢斜截面受剪承载力计算公式主要以剪压破坏为模型，受剪承载力主要由两部分提供：横向钢筋和混凝土。 计算墙肢斜截面受剪承载力时，应计人轴力的有利或不利影响。 作用在墙肢上的轴压力提高受剪承载力Vu；轴向拉力降低受剪承载力Vu 。墙肢剪跨比1.5时，以剪切变形为主，首先在腹部出现斜向腹剪斜裂缝，裂缝部分的混凝土即退出工作。取混凝土出现腹剪斜裂缝时的剪力Vcr作为混凝土部分的受剪承载力Vu偏于安全。1.5的墙肢在截面边缘出现的水平裂缝，后沿弯矩增大方向倾斜，形成弯剪裂缝，这可能导致斜截面剪切破坏。出现弯剪裂缝时混凝土所承担的剪力Vcr作为混凝土受剪承载力Vu偏于安全，与混凝

10、土出现腹剪斜裂缝时相似，只考虑剪力墙腹板部分混凝土的抗剪作用。试验表明，斜裂缝出现后，穿过斜裂缝的横向钢筋拉应力突然增大，即横向钢筋开始与混凝土共同抗剪。 在地震的反复作用下，剪力墙的抗剪承载力降低。其偏心受压墙肢的受剪承载力计算公式为：2偏心受压斜截面受剪承载力(在轴压力和水平力共同作用下)无地震作用组合时 有地震作用组合时00)13. 05 . 0(5 . 01wshhywwwthsAfAANhbfV8 . 0)1 . 04 . 0(5 . 01100wshhywwwtREhsAfAANhbfV(7-18a)(7-18b)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，但轴向拉力对

11、抗剪不利。验算公式为： bw、hw0分别为墙肢截面腹板厚度和有效高度； A 、Aw分别为墙肢全截面面积和墙肢的腹板面积，矩形截面Aw=A； N墙肢的轴向压力设计值，抗震设计时，应考虑地震作用效应组合， 当 N0.2fcbwhw时，取N= 0.2fcbwhw； fyh、Ash、 s分别为横向分布钢筋抗拉强度设计值、配置在同一截面内的横向钢筋面积之和、及横向分布钢筋间距； 计算截面的剪跨比，当1.5时取=1.5，当2.2时,取=2.2，当计算截面与墙肢底截面之间的距离 0.5hw时，取距墙肢底截面0.5hw处的值。(3)偏心受拉斜截面受剪承载力无地震作用组合时 有地震作用组合时 公式右边圆括号内的

12、计算值小于0时取0。00)13. 05 . 0(5 . 01wshhywwwthsAfAANhbfV8 . 0)1 . 04 . 0(5 . 01100wshhywwwtREhsAfAANhbfV(7-19b)(7-19a)725 墙肢构造要求1混凝土强度等级简体结构的核心简和内筒的混凝土强度等级不低于C25，其他剪力墙的混凝土不低于C20。2最小截面尺寸应满足承载力Vu、最小墙厚hmin、剪压比限值nmax的要求。 为保证剪力墙在轴力和侧向力作用下平面外稳定，防止平面外失稳破坏以及有利于混凝土的浇灌质量，剪力墙的最小厚度不应小于表7-1中数值的较大者。表7-1中，h为层高或剪力墙无支承高度；

13、一、二级抗震设计的无端柱或翼墙的一字形剪力墙的厚度，底部加强部位不应小于h/12、其他部位不应小于h/15，且不小于180mm。分隔电梯井的墙肢厚度可适当减小，但不小于160mm。 框架-剪力墙结构中剪力墙厚度，底部加强部位不应小于200mm和h/16，其他部位不应小于160mm和h/20。025. 0wwcchbfV 3. 试验表明，墙肢截面的剪压比( )超过一定值时，将过早出现斜裂缝，增加横向钢筋不能提高其受剪承载力，很可能在横向钢筋未屈服的情况下，墙肢混凝土发生斜压破坏。所以应限制墙肢截面的剪压比 。无地震作用组合时 有地震作用组合时， 剪跨比2.5时 1.5时=Mc/(Vc hw0)，

14、 Mc、Vc 与Vw取自同一组合，且未调整REwwcchbfV/ )2 . 0(0REwwcchbfV/ )2 . 0(0(7-20a)(7-20b)(7-20c)0wwchbfV3、分布钢筋墙肢应配置竖向和横向分布钢筋。 分布钢筋的作用：抗剪、抗弯、减少收缩裂缝等。 竖向分布钢筋过少，墙肢端的纵向受力钢筋屈服时，裂缝宽度大； 横向分布钢筋过少时，斜裂缝一旦出现，就会发展成一条主斜裂缝，使墙肢沿斜裂缝劈裂成两半；竖向分布钢筋也起到限制斜裂缝开展的作用。 墙肢的竖向和横向分布钢筋的最小配筋要求相同，见表7-2，bw为墙肢的厚度。)/(sbAwswsw 在温度热胀冷缩影响较大的部位(如房屋顶层的剪

15、力墙，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以及端山墙等)，分布钢筋应适当加强，墙肢的竖向和横向分布钢筋的最小配筋率都应0.25，钢筋间距应200mm。)/(sbAwshshsw、 sh分别为竖向、横向分布钢筋的配筋率；s竖向或横向钢筋间距。 A sw、 Ash 分别为同一截面内竖向、横向钢筋各肢面积之和； 为避免墙表面的温度收缩裂缝厂为使混凝土均匀受力，墙肢应采用双排或多排配筋。墙的厚度bw400mm时，可采用双排配筋；400mmbw 700mm时，可采用3排配筋； bw 700mm时，可以采用4排配筋。各排分布钢筋之间设置拉筋，其s 600mm，可按梅花形布置，直径6mm

16、，底部加强部位的拉筋间距适当加密。4轴压比 限值 随着建筑高度的增加，剪力墙墙肢的轴压力也增加。轴压比n是影响墙肢抗震性能的主要因素之一，n大于一定值后，延性很小或没有延性。因此，必须限制抗震剪 力墙墙肢的轴压比。 一般情况下，剪力墙底部是最有可能屈服、形成塑性铰的部位。各种结构类型一、二级抗震等级剪力墙的底部加强部位，在重力荷载代表值作用下的墙肢的轴压比限值见表7-3。轴压比n=N/fcAc。N取重力荷载代表值作用下产生的轴压力设计值(自重分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4)。 一般情况下，底部加强部位高度范围内，墙肢厚度不变，混凝土强度等级不变，因此，只需验算墙肢底截面的轴压比；若底

17、部加强部位的墙肢厚度或混凝土强度等级有变化，则还应验算变化截面的轴压比。在底部加强部位以上，虽然没有规定轴压比的限值，但最好也不要超过表7-3的轴压比限值。ccAfNn 5. 剪力墙的边缘构件剪力墙截面两端设置的构件边缘构件是提高墙肢端部混凝土极限压应变、改善剪力墙延性的重要措施。边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件两类。约束边缘构件是指用箍筋约束的暗柱、端柱和翼墙，其箍筋较多，对混凝土的约束较强，混凝土有比较大的变形能力；构造边缘构件的箍筋较少，对混凝土约束程度较差。下列剪力墙的两端应设置约束边缘构件；一、二级剪力墙底截面，轴压比0.1(9度一级)、0.2(7、8度一级)、0.3(二级)时

18、；部分框支剪力墙结构的一、二级剪力墙。 约束边缘构件设置高度为：底部加强部位及以上一层。约束边缘构件包括暗柱(矩形截面端部)、端柱和翼墙(图7-6)三种形式。 端柱截面边长不应小于2倍墙厚，翼墙长度不应小于其3倍厚度；不足时视为无端柱或无翼墙，按矩形截面端部处理； 部分框支剪力墙结构，一、二级落地墙的底部加强部位及以上一层，剪力墙(指整片墙，不是指墙肢)的两端必须有端柱或翼墙。 剪力墙的约束边缘构件的要求剪力墙的约束边缘构件的范围及配筋要求剪力墙的构造边缘构件的要求 约束边缘构件沿墙肢的长度lc。应lc表7-4中的数值及1.5bw、450mm三者的最大值；有翼墙或端柱时尚应lc翼墙厚度hwf或

19、端柱沿墙肢方向截面高度加300mm。 约束边缘构件箍筋配箍特征值v，应符合表7-4的要求。 工程设计时，由配箍特征值确定体积配箍率v，由体积配箍率确定箍筋的直径、肢数、间距等。计算v时，箍筋或拉筋的抗拉强度设计值360N/mm2。 v=vfc/fyv (7-22) 图7-6中的阴影部分，为墙肢端部，其轴向压应力大，要求配置约束效果较好的箍筋，配箍特征值为v=0.2； 在箍筋范围内的纵向钢筋配筋率，除按承载力要求计算外，一级抗震和二级抗震时，分别不小于阴影面积的1.2和1.0，还分别不少于616和614。 箍筋或拉筋沿竖向的间距，一级100mm，二级150mm。 图7-6中的无阴影部分，这部分的

20、轴向压应力减小，为方便施工，允许配置拉筋，其配箍特征值为v/2=0.1。 约束边缘构件长度lc范围内的配筋分为两部分：一、二级筒体结构的核心筒或内筒转角部位的约束边缘构件要加强：底部加强部位，约束边缘构件沿墙肢的长度不小于墙肢截面高度的1/4，约束边缘构件长度范围内全部采用箍筋；沿结构的全高按图7-6的转角墙设置约束边缘构件，沿墙肢的长度不小于墙肢截面高度的1/4。除了要求设置约束边缘构件的各种情况外，在高层建筑中剪力墙墙肢两端要设置构造边缘构件。如：一、二级剪力墙约束边缘构件以上的部位，轴压比不大的一、二级剪力墙，三、四级剪力墙和非抗震设计的剪力墙。构造边缘构件沿墙肢的长度按图7-7阴影部分

21、确定。构造边缘构件的配筋应符合承载力的要求，并不少于表7-5的构造要求，底部加强部位和其他部位分别对待；端柱的纵筋和箍筋按框架柱的构造要求配置。非抗震设计时，墙端应配置不少于412的纵向钢筋，沿纵筋配置不少于直径6mm、间距为250mm的拉筋。Ac为计算边缘构件纵向构造钢筋的暗柱或端柱面积，即图7-7剪力墙墙肢狙影部分；对其他部位，拉筋的水平间距不应大于纵向钢筋间距的2倍，转角处宜设箍筋。墙内钢筋的锚固长度，非抗震设计时，记为la，抗震设计时为laE。墙肢竖向及横向分布钢筋通常采用搭头位置应错开，见图7-8，每次连接的钢筋数量50的总数，错开净距 500mm；其他情况的墙可以在同一部位连接。搭

22、接长度ll：非抗震设计时， ll1.2la；抗震设计时， ll 1.2laE。 7.3 连 梁 设 计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2.0；甚至1.0，在侧向力作用下，连梁比较容易出现剪切斜裂缝，见图7-9。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，可采用降低连梁的固端弯矩设计值的方法，使连梁先于墙肢屈服和实现弯曲屈服。由于连粱跨高比小，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粱的剪切破坏。对于延性要求高的核心筒连梁和框筒裙梁，可采用特殊措施，如配置交

23、叉斜筋或交叉暗撑，改善连粱受力性能。弯矩调幅是实现使连梁弯曲屈服的方法调幅的方法有两个： 在小震作用下的内力和位移计算时，通过折减连梁的刚度，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07；8、9度时，折减系数不小于05。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。 按连梁弹性刚度计算内力和位移，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。用这种方法时幅前应适当增加其他连梁的弯矩设计值(图7-10)，以补偿静力平衡。 2剪力设计值9度抗震设计时尚应符合(ln连梁的净跨)： Vb=1.1(Mbual+Mbu

24、ar)/ln+VGb (7-23b),732 承载力验算1受弯承载力验算 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(As=As)，验算公式可以简化如下：无地震作用组合时 Mbfy As (hb0-a) (7-24a)有地震作用组合时 Mbfy As (hb0-a)/RE (7-24b)Mb连梁弯矩设计值；As受力纵向钢筋面积； 2、受剪承载力验算 无地震作用组合时 Vb0.7ft bbhbo + fy Asv hb0/s (7-25) 有地震作用组合时l/hb02.5 ， Vb(0.42ft bbhbo + fy Asv hb0/s)/RE (7-25b)l/hbo2.5， Vb(0.38ft bbhbo +0.9 fy Asv hb0/s)/RE (7-25c)bb、hbo分别为连梁截面宽度和有效高度； S箍筋的间距；Asv同一截面内竖向箍筋的全部截面面积；fsv箍筋的抗拉强度设计值。733 连梁构造要求1最小截面尺寸：限制截面名义剪应力，连梁截面的剪力设计值应满足下式：无地震作用组合时 Vb0