剪力墙的结构设计

1、本章教学内容：剪力墙结构概念设计剪力墙结构内力和侧移的简化计算方法剪力墙的截面设计剪力墙的构造本章教学要求： 了解剪力墙结构的受力变形特点；理解剪力墙的结构布置；掌握剪力墙最小厚度及材料强度选定；掌握剪力墙计算要点和程序框图；掌握剪力墙结构内力及侧移计算的基本假定；掌握竖向荷载作用下的内力计算；掌握水平荷载作用下的计算单元和计算简图；掌握水平荷载的分配；掌握平面剪力墙分类及受力特点；掌握整体墙内力和位移计算方法；掌握小开口整体墙的内力与位移计算方法；掌握双肢墙和多肢墙的内力和位移计算；掌握壁式框架的内力与位移计算方法；掌握剪力墙正截面承载力计算方法；掌握剪力墙斜截面受剪承载力计算方法；掌握施工

2、缝抗滑移验算方法；掌握连梁剪力设计值调整方法；理解剪力墙结构构造。第第5 5章章 剪力墙结构设计剪力墙结构设计基本假定基本假定竖向荷载作用下的内力计算竖向荷载作用下的内力计算水平荷载作用下的计算单元和计算简图水平荷载作用下的计算单元和计算简图水平荷载的分配水平荷载的分配平面剪力墙分类及受力特点平面剪力墙分类及受力特点整体墙的内力和位移计算整体墙的内力和位移计算小开口整体墙的内力和位移计算小开口整体墙的内力和位移计算双肢墙和多肢墙的内力和位移计算双肢墙和多肢墙的内力和位移计算壁式框架的内力和位移计算壁式框架的内力和位移计算剪力墙正截面承载力剪力墙正截面承载力剪力墙斜截面受剪承载力剪力墙斜截面受剪

3、承载力施工缝抗滑移验算施工缝抗滑移验算连梁承载力计算连梁承载力计算 重点 剪力墙的结构布置；剪力墙最小厚度及材料强度选定；剪力墙计算要点和程序框图；水平荷载作用下的计算单元和计算简图；水平荷载的分配；平面剪力墙分类及受力特点；双肢墙和多肢墙的内力和位移计算；壁式框架的内力与位移计算方法；剪力墙正截面承载力计算方法；剪力墙斜截面受剪承载力计算方法；施工缝抗滑移验算方法；连梁剪力设计值调整方法；剪力墙结构构造难点剪力墙的结构布置；水平荷载作用下的计算单元和计算简图；水平荷载的分配；平面剪力墙分类及受力特点；小开口整体墙的内力与位移计算方法；双肢墙和多肢墙的内力和位移计算剪力墙正截面承载力计算方法；

4、剪力墙斜截面受剪承载力计算方法；剪力墙结构构造 5.1剪力墙结构概念设计利用钢筋砼墙体组成的承受全部竖向和水平作用的结构。一、剪力墙结构受力变形特点二、剪力墙结构布置三、剪力墙最小厚度及材料强度选定四、剪力墙设计计算要点及程序框图优点： 整体性好、刚度大，抵抗侧向变形能力强； 抗震性能较好，设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。因而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。缺点：受楼板跨度的限制（一般为38m），剪力墙间距不能太大，建筑平面布置不够灵活。 5.1.1剪力墙结构的受力变形特点 水平荷载作用下，悬臂剪力墙的控制截面： 底层截面 墙肢截面变形： 剪力墙变形弯曲型变形剪切型变形水平剪力水

5、平剪力弯矩弯矩弯矩作用下弯矩作用下弯曲型变形弯曲型变形剪力作用下剪力作用下剪切型变形剪切型变形另外，根据剪力墙的高宽比，以常见的倒三角形荷载为例，又可将剪另外，根据剪力墙的高宽比，以常见的倒三角形荷载为例，又可将剪力墙分为三类力墙分为三类高墙：当剪力墙高宽比H/B2时为高墙；在水平力和竖向力作用下，一般呈弯曲型破坏，具有较大的延性。 中高墙：当1剪力墙高宽比H/B2时为中高墙；在水平力和竖向力作用下，一般呈弯剪型破坏，具有一定的延性。 矮墙：当剪力墙高宽比H/B1时为矮墙；在水平力和竖向力作用下，一般呈剪切型破坏，延性很差。 2、剪力墙的破坏特征 悬臂剪力墙的破坏形态： 实际工程中在剪力墙上开

6、设洞口而以连梁相连，使单肢剪力墙的高宽比提高，在水平荷载作用下，剪力墙主要受弯工作状态，由受弯承载力决定破坏形态。弯曲破坏弯曲破坏剪切破坏剪切破坏滑移破坏滑移破坏 5.1.2剪力墙的结构布置1、高宽比限制结构体系非抗震设计抗 震 设 防 烈 度6、789剪 力 墙6654A A级高度钢筋混凝土剪力墙的最大高宽比级高度钢筋混凝土剪力墙的最大高宽比非抗震设计抗 震 设 防 烈 度6、78876B B级高度钢筋混凝土剪力墙的最大高宽比级高度钢筋混凝土剪力墙的最大高宽比A A级高度钢筋混凝土剪力墙的最大适用高度级高度钢筋混凝土剪力墙的最大适用高度B B级高度钢筋混凝土剪力墙的最大适用高度级高度钢筋混凝

7、土剪力墙的最大适用高度2、结构平面布置（1）剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙，应避免单向有墙的结构布置形式。剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙的侧向刚度不宜过大。（2）高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙：墙肢截面高度与厚度之比58一般剪力墙：墙肢截面高度与厚度之比大于8短肢剪力墙较多时，应布置成筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。并应符合下列规定：最大适用高度适当降低，7、8度时分别不大于100m和80m；筒体和一般剪力墙承受第一震型底部地震倾覆力矩不宜小于50；各层短肢剪力墙在重力荷载作用下产生

8、的轴力设计值的轴压比，一、二、三级时不宜大于0.5、0.6、0.7；对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙轴压比限值相应降低0.1；短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm；7、8度短肢剪力墙宜设置翼缘；一字型短肢剪力墙不布置与之单侧相交的楼面梁。（3）剪力墙的门窗洞口宜上下对其，形成明确的墙肢和连梁。宜避免墙肢刚度相差悬殊的洞口布置。一、二、三级剪力墙的底部和加强部位不宜采用错洞墙（a图）；一、二、三级剪力墙均不宜采用叠合错洞墙（b、c图）。（4）细高的剪力墙（高宽比大于2）容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免发生脆性的剪切破坏。因此，当剪力墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，

9、可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的若干独立墙段，每个独立墙段可以是整截面墙，也可以是联肢墙，墙段之间宜采用弱连梁连接（如楼板或跨高比大于6的连梁），因弱连梁对墙肢内力的影响可以忽略，则可近似认为分成了若干独立墙段。此外，当墙段长度较小时，受弯产生的裂缝宽度较小，而且墙体的配筋又能充分地发挥作用，因此墙段的长度不宜大于8m。（5）剪力墙的数量不宜太多，剪力墙结构的基本自振周期控制在0.050.06Ns。当周期过短，地震剪力过大，需加以调整：3、结构竖向布置（1）剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；允许沿高度改变墙厚（每次厚度减少宜为50100mm）和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使

10、侧向刚度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。（2）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。墙肢宽度不宜小于3bw(墙厚)，且不应小于500mm。（3）采用刀把形剪力墙会使剪力墙受力复杂，应力局部集中，而且竖向地震作用会产生较大影响，宜十分慎重。适当减小剪力墙厚度；适当减小剪力墙厚度；降低连梁高度；降低连梁高度；增大门窗洞口宽度；增大门窗洞口宽度；对较长墙肢设施工缝，分为两个墙肢。墙肢长度超过对较长墙肢设施工缝，分为两个墙肢。墙肢长度超过8m8m，一般应由施工洞口划分为小墙肢。，一般应由施工洞口划分为小墙肢。（4）底部加强部分高度： 通常剪力

11、墙的底部截面弯矩最大，可能出现塑性铰，底部截面钢筋屈服以后，由于钢筋和混凝土的粘结力破坏，钢筋屈服的范围扩大而形成塑性铰区。同时，塑性铰区也是剪力最大的部位，斜裂缝常常在这个部位出现，且分布在一定的范围，反复荷载作用就形成交叉裂缝，可能出现剪切破坏。在塑性铰区要采取加强措施，称为剪力墙的加强部位。 抗震设计时，为保证剪力墙出现塑性铰后具有足够的延性，该范围内应当加强构造措施，提高其抗剪破坏的能力。一般剪力墙：一般剪力墙： 墙肢总高度的墙肢总高度的1/8 底部两层高度底部两层高度剪力墙高度超过剪力墙高度超过150m：墙肢总高度的：墙肢总高度的1/10部分框支剪力墙：部分框支剪力墙： 框支层加框支

12、层以上两层高度框支层加框支层以上两层高度 墙肢总高度的墙肢总高度的1/8较大值较大值较大值较大值 5.1.3剪力墙的最小厚度及材料强度选定1、剪力墙的材料砼强度不应低于C20；带有筒体和短肢剪力墙的砼等级不应低于C25。2、剪力墙的厚度bw及尺寸应满足下列最低要求（保证剪力墙的刚度和稳性定）： （1）按抗震等级为一、二级设计时： 一般剪力墙的厚度： bwh/20 且 bw160mm 底部加强部位的墙体厚度 bwh/16 且 bw200mm 无端柱或翼墙的一字形剪力墙的截面厚度 bwh/15 且 bw180mm 底部加强部位厚度 bwh/12式中bw剪力墙厚度； h楼层层高或剪力墙无支承长度。无

13、支长度：是指沿剪力墙长度方向没有平面外横向支承时的长度，即一直算到有平面外横向支承为止的长度。支承可以是翼墙，也可以是端柱。 （2）按抗震等级为三、四级和非抗震设计时： 剪力墙的厚度bw及尺寸应满足下列最低要求： bwh/25 且 bw160mm 其底部加强部位厚度 bwh/20 且 bw160mm（3） 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。因为一般剪力墙井筒内，分隔空间的墙数量多而长度不大，两端嵌固好，为了减轻结构自重，增加筒内使用面积，墙厚可减小。 剪力墙厚度确定的简易公式：对常用的住宅、旅馆和办公楼一类较大开间（小于8m）的剪力墙，在工程设计的

14、多方案比较阶段，设计人员可采用下列经验公式快速简易地初步确定剪力墙的厚度。对小开间（小于4m）剪力墙，墙体厚度还可适当改薄。 9度设防时， bw（1415）n 且 bw160 mm 8度设防时， bw（1213）n 且 bw160 mm 7度设防和非抗震设计时，bw（1011）n 且 bw160 mm式中n建筑物结构总层数。 公式中剪力墙的厚度仅是指底层处的；当要估算任意层高度处剪力墙厚度时，n可理解为所需估算墙体厚度处以上的结构总层数。公式中的常数项上下限取值，可根据混凝土强度等级和剪力墙间距（开间）大小而定。剪力墙最小厚度应满足高层建筑混凝土结构技术规程JGJ32002/J1862002的

15、要求。 当剪力墙厚度不满足上面各式的要求时，应验算剪力墙的稳定。5.1.4剪力墙设计计算要点及程序框图1、剪力墙设计要点2、设计计算程序框图根据高宽比限值确定剪力墙结构三维几何参数根据高宽比限值确定剪力墙结构三维几何参数剪力墙平面布置剪力墙平面布置剪力墙墙厚初选剪力墙墙厚初选计算单元选取计算单元选取竖向荷载作用下内力计算竖向荷载作用下内力计算水平荷载作用下内力和侧移计算水平荷载作用下内力和侧移计算荷载效应组合荷载效应组合承载力设计承载力设计构造处理构造处理5.2剪力墙结构的内力和侧移的简化近似计算 5.2.1基本假定1、竖向荷载在纵横向剪力墙平均按45度刚性角传力；2、每片墙体结构仅在其自身平

16、面内提供抗侧刚度，在平面外刚度可忽略不计；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。如果楼板中有大梁，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。所以，除了考虑大梁下的局部承压外，可按分布荷载计算集中力对墙面的影响，见图。力传递路线：楼板墙除了连梁内产生弯矩外，墙肢主要受轴向力竖向荷载分布竖向荷载分布5.2.25.2.2、剪力墙在竖向荷载下内力计算、剪力墙在竖向荷载下内力计算当纵墙和横墙是整体联结时，一个方向墙上的荷载可以向另一个方向墙扩散。因此，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。 5.2.35.2.3、

17、水平荷载下的计算单元和计算简图、水平荷载下的计算单元和计算简图剪力墙结构是空间盒子式结构，但是它可按纵、横两方向墙体分别按平面结构进行分析，大大简化在水平荷载下的计算。 当简化为平面结构计算时，可以把与它正交的另一方向墙作为翼缘，这样可使计算更加符合实际。例如图结构，y向、x向分别按图(b)和图(c)划分剪力墙。 剪力墙有效翼缘宽度bf剪力墙有效翼缘宽度bi，可按表5.5所列各项中取较小值，表中符号见图。 剪力墙有效翼缘宽度bi考虑方式截面形式T形或I形L形或形按剪力墙间距计算按翼缘厚度计算按门窗洞口计算按剪力墙总高度计算01b02bihb 12ihb6220201SSb203Sb剪力墙有效翼

18、缘宽度 bf 取表中所列各项较小值。H15. 0H15. 0非直线墙的处理由于建筑立面的需要，有时剪力墙的轴线并不是一条直线，这给结构计算带来困难。可按下述简化方法来近似进行计算。 在十字形和井字形平面中，核心墙各墙段轴线错开距离在十字形和井字形平面中，核心墙各墙段轴线错开距离a不大于实体连接墙厚度的不大于实体连接墙厚度的8倍、且不大于倍、且不大于2.5 m时，整片墙时，整片墙可以作为整体平面剪力墙来计算，但必须考虑到实际上存可以作为整体平面剪力墙来计算，但必须考虑到实际上存在的错开距离在的错开距离a带来的影响，整片墙的等效刚度宜将计算带来的影响，整片墙的等效刚度宜将计算结果乘以结果乘以0.8

19、的系数，并将按整片墙计算所得的内力乘以的系数，并将按整片墙计算所得的内力乘以1.2的增大系数。的增大系数。对折线型的剪力墙，当各墙段总转角不大于对折线型的剪力墙，当各墙段总转角不大于15（15）时，可近似地按平面剪力墙进行计）时，可近似地按平面剪力墙进行计算。算。 除上述两种情况外，对平面为折线形的剪力墙，除上述两种情况外，对平面为折线形的剪力墙，不应将连续折线形剪力墙作为平面剪力墙计算；不应将连续折线形剪力墙作为平面剪力墙计算；当将折线形（包括正交）剪力墙分为小段进行当将折线形（包括正交）剪力墙分为小段进行内力和位移计算时，应考虑在剪力墙转角处的内力和位移计算时，应考虑在剪力墙转角处的竖向变

20、形协调。竖向变形协调。 5.2.45.2.4水平荷载的分配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。所有抗侧力单元都是剪力墙，它们有相类似的沿高度变形曲线弯曲型变形曲线，各片剪力墙水平荷载沿高度的分布也将类似，与总荷载沿高度分布相同。因此，分配总荷载或分配层剪力的效果是相同的。当有m片墙时，第i片墙第j层分配到的剪力是PjmieqiieqiiijVIEIEV1式中，Vpj由水平荷载计算的第j层总剪力； EiIeqi第i片墙的等效

21、抗弯刚度。 由于墙的类型不同，等效抗弯刚度的计算方法也各异，将在下面章节分别讨论。 当水平力合力中心与结构刚度中心不重合时，结构会产生扭转。有扭转作用时，各片剪力墙分配到的剪力与不考虑扭转时分配到的剪力不同。5.2.55.2.5、平面剪力墙分类及受力特点、平面剪力墙分类及受力特点 在水平荷载作用下，剪力墙处于二维应力状态，严格说来，应按照平面问题求解。借助电子计算机、用平面有限元方法（离散为三角形或矩形单元）可以求出任意形状尺寸、任意荷载和墙厚变化时各点的应力，精确度也较高。从实用上，一般是根据开洞大小、截面风力分布特点进行简化计算。整体墙 无孔洞或孔洞很小的剪力墙称为整体墙，其受力特点如同竖

22、向悬臂梁。在水平荷载作用下，当剪力墙高宽比较大时，其受弯变形后的截面仍然符合材料力学中的平截面假定，截面上的正应力呈线性分布。小开口整体墙当剪力墙上所开洞孔的面积稍大时，在水平荷载作用下的这类剪力墙，截面上的正应力分布略偏离直线分布的规律，变成相当于整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠加了墙肢的局部弯曲应力。当墙肢中的局部弯矩不超过墙体整体弯矩的15%时，可以近似地认为基本上符合材料力学中的平截面假定，其截面变形仍接近于整体墙。对上述的剪力墙，当大部分楼层上的墙肢不出现反弯点时，称这类剪力墙为小开口整体墙。 联肢墙（包括双肢墙和多肢墙）当剪力墙上所开的洞孔较大且连梁（联系墙肢的部分）的刚度比墙肢的

23、刚度小得多时，在水平荷载作用下的这类剪力墙，连梁跨中会出现反弯点，各墙肢的单独工作能力也比较明显，可看成是若干单肢剪力墙由连梁联结起来的剪力墙。由于洞孔开得较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，截面上的正应力分布与直线规律已有较大的差别。具有上述特点的剪力墙称为联肢墙；对开有一列洞孔的联肢墙称为双肢墙；对开有多列洞孔的联肢墙称为多肢墙。壁式框架（大开口剪力墙）剪力墙洞孔开得越大，各墙肢的独立工作能力越明显。当连梁的刚度很大，而墙肢的刚度相对较弱时，剪力墙的受力状况已接近普通框架的受力特性，对这类大开口的剪力墙称为壁式框架。其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩，在许多楼层内墙肢有反弯点。一

24、般说来，壁式框架所开洞口的面积约为整个剪力墙面积的40%80%。当墙肢宽度与连梁跨度之比小于0.2，连梁高度与楼层层高之比也小于0.2时，这类剪力墙已经成为普通的框架。框架。剪力墙分类判别式剪力墙分类判别式剪力墙类别的划分，应主要从两方面考虑： （1）各墙肢之间的整体性。整体性愈好，其受力就愈接近于整体墙。 （2）墙肢受力后是否会出现反弯点。出现反弯点层数愈多，就愈接近框架。 1剪力墙整体性系数剪力墙整体性系数 2墙肢惯性矩比墙肢惯性矩比In/I 3剪力墙分类判别式剪力墙分类判别式 连系梁总的抗弯线刚度与墙肢总的抗弯线刚度之比为2。 nbbIIlIIhaIH3212)(12mjbjjbjmjJ

25、blaIIhaIH13211212（1）对于双肢墙 （2）对于多肢墙 In扣除墙肢惯性矩后剪力墙的惯性矩，按下式计算：11211mjjjmjjnyAIIII剪力墙对组合截面形心的惯性矩（1）当剪力墙无洞口，或虽有洞口但洞口面积与墙面面积之比不大于0.15，且孔洞口净距及孔洞边至墙边距离大于孔洞长边尺寸时，按整体墙计算。（2）当1时，可不考虑连梁的约束作用，各墙肢分别按独立悬臂墙肢计算。（3）当l10时，按联肢墙计算。（4）当10，且In/I时，按小开口整体墙计算。（5）当10，且In/I时，按壁式框架计算。 计算方法计算方法1整体墙和小开口整体墙计算方法 2连续化方法及带刚域框架计算方法 3有

26、限条方法 没有门窗洞门或只有很小的洞口时，可以忽赂洞口的影响，按照整体悬臂墙求截面内力，并假定正应力符合直线分布规律，这称为整体墙计算方法。 当门窗洞口稍大时，两个墙肢的应力分布不再是直线关系，但偏离不大，可在应力按直线分布计算的基础上加以修正。这种近似计算称为小开口整体墙计算方法。 开有一排较大洞口的剪力墙叫双肢剪力墙；开有多排较大洞口的剪力墙叫多肢剪力墙。由于洞口较大，剪力墙是一系列由连梁约束的墙肢所组成。这时可以用连续化方法或带刚域框架方法作近似计算。当简化为带刚城框架时，可以用D值法进行手算，也可以用杆件有限元以及短阵位移方法，由计算机计算。对于形状及开洞都比较规则的墙，近年来发展了用有限条计算内力和位移的方法。把剪力墙划分为竖向条带，条带的应力