剪力墙结构-文献综述

1、剪力墙结构文献综述摘要：随着经济和社会的发展，高层建筑逐渐成为现代城市建筑的发展趋势。20 世纪60年代开始出现的剪力墙结构，由于其抗侧刚度大，能有效地减小侧移，且具 有较好的抗震性能,随着滑升模板、大模板等新的施工工艺的采用而逐渐成为现 代高层筑中广泛应用的一种结构体系。本文主要就剪力墙结构的分类，剪力墙结 构国内外的研究方法，以及其发展前景进行了论述，进而联系到本设计的主要注 意事项以及各个构件的设计原则。关键词：剪力墙分类国内外研究方法前景概念设计剪力墙的基本概念1.1剪力墙的概念及优缺点用钢筋混凝土剪力墙抵抗竖向荷载和抵抗水平力的结构称作剪力墙结构。本 设计采用的是现浇钢筋混凝土剪力墙

2、，其整体性能好，抗侧刚度大，承载能力大， 在水平力作用下侧移小，经过合理计算，能设计成抗震性能好的钢筋混凝土延性 剪力墙，由于它变形小，在历次地震中，剪力墙结构破坏较小，表现出令人满意 的抗震结构中，剪力墙结构破坏较小，表现出令人满意的抗震性能(但仅就延性 而言，剪力墙不如框架)。但是，钢筋混凝土剪力墙中，剪力墙的间距小，一般 为38m，平面布置不灵活、建筑空间受到限值由于自重大，刚度大，是剪力墙 结构的基本周期短，地震作用下的惯性力比较大，这些是它的主要缺点，因此它 只适用于住宅、旅馆等建筑。1.2剪力墙的分类1.2.1第一判别方法一依据结构开洞面积的大小的分类方法高层剪力墙的受力特点、内力

3、分布情况和变形状态与其所开洞的大小和数 量有直接关系，因此，剪力墙是按其本身开洞的情况而分类的。可分为：整截面剪力墙：没有门窗洞口或只有很小的洞口，即墙面上门窗、洞口等开 孔面积不超过墙面面积15%，且洞口间的净距及孔洞全墙边间的净距大于孔长 边尺寸的剪力墙，它们的受力性能如同一个整体的悬臂墙一样，墙肢的法向应呈 线性变化，截面变形符合平面假定，这类剪力墙成为整截面剪力墙(如图一 a所 示)。小开口整体剪力墙：门窗洞口沿竖向成列布置，洞口的总面积不超过墙体总 面积的15%，其墙肢的法向应力分布偏离直线规律，相当于在整体弯曲的直线 分布应力上迭加了局部弯曲应力，当局部弯矩不超过整体倾覆弯矩的15

4、%时， 可认为剪力墙仍基本复合平截面假定，这种开洞剪力墙称为小开口整体剪力墙 (如图一b示)。联肢剪力墙：洞口开得较大，梁刚度比墙肢刚度小得多时，截面整体性已破 坏，各墙肢单独工作作用较显著，这种称为联肢剪力墙。仅开有一排较大洞的剪 力墙称为双肢剪力墙(如图一c所示)；开有多排较大洞口的剪力墙称为多肢剪力 墙(如图一d所示)。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，剪力墙的受力性能已接近框架，这种剪力墙称为壁式框架。框支剪力墙：当底层需大空间时，可以将底层作为框架。底层为框架的剪力 墙称为框支剪力墙，它是剪力墙的一种特殊的形式。图一S)整体墙小开口整体墙1.2

5、.2第二判别方法一依据剪力墙整体系数a和墙肢惯性矩比I. /I的分类方法 1.2.2.1整体系数a整体系数a是剪力墙的一个重要的几何参数，整体系数a表示连梁与墙肢的 相对刚度。a系数影响墙肢内力分布，a 1时可近似看作几个独立墙肢； 小时，墙肢以局部弯曲为主，a较大时，墙肢以整体弯曲为主。a的具体取值方法如下：对于双肢剪力墙：a = H Th(对于多肢剪力墙：a= HI6IJ F1 +212 V a21 Z j hjbj公式公式(1)(2)时.I:j1 j=i其中t 轴向变形影响系数，当34肢时取0.8，57肢时取0.85, 8肢以 上取0.9；I剪力墙对组合截面形心的惯性矩；I n 扣除墙肢

6、惯性矩后剪力墙的惯性矩，I n = I 一四I ； j=i j1 hj第j列连梁的折算惯性矩；m洞口列数;h 层高；a, a 第j列洞口两侧墙肢截面形心距离；i 第j列连梁计算跨度，取洞口宽度加梁高的一半; hj1 第j墙肢的截面惯性矩；j&系数，由a及层数查表确定。1.2.2.2墙肢惯性矩比I /I整体工作系数a愈大，说明剪力墙整体性很强，这样的剪力墙可能是整体小 开口墙，也可能是壁式框架。因为后者梁线刚度大于柱线刚度，其a值很大，结 构整体性也很强，但它的受力特点与框架相同。因此，除应根据a值进行剪力墙 分类判别外，还应判别沿高度方向墙肢弯矩图是否会出现反弯点。墙肢是否出现反弯点，与墙肢惯

7、性矩的比值I n /I、整体性系数a和层数n等 多种因素有关。I n /I值反映了剪力截面削弱的度,I n/I值大，说明截面削弱较 多，洞口较宽，墙肢相对较弱。因此，当I/I增大到某一值时，墙肢表现出框 架的受力特点，即沿高度方向出现反弯点。因此，通常将In/I与其限值&的关 系式作为剪力墙分类的第二个判别式。1.2.2.3剪力墙分类般别式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0.16，且 孔洞口净距及孔洞边全墙边距离大于孔洞长边尺寸时，按整截面墙计算。当a 1时，可不考虑连梁的约束作用，各墙肢分别按独立的悬臂墙计算当1 a IO,且I./I奖时，按整体小开口墙计算。当a 10

8、，且I /I&时，按壁式框架计算。剪力墙结构的国内外研究现状剪力墙结构是由一系列的竖向纵、横墙和平面楼板组合在一起的空间盒子式 结构体系。它所承受的荷载除楼板传来的竖向荷载外。还有水平作用的地震荷载 或风荷载。剪力墙在竖向荷载作用下的计算比较简单，主要讨论水平荷载下的计 算问题。2.1国内外关于短肢剪力墙的研究现状和问题通常将肢长和厚度比在58之间的抗震墙称作短肢剪力墙，墙体之间通过 连梁连接，中间由非承重砌体填充。由于短肢剪力墙结构出现较晚，所以目前对它的研究还不多。由文献检索知, 国外还没有关于短肢剪力墙的文献和工程报导，国内发表的论文也不多。其中， 只有为数不多的几篇从理论或试验上对短肢

9、剪力墙的力学性能、动力特性等几个 方面进行了分析，对工程设计有一定的指导意义。由于缺少研究，国内规范对短肢剪力墙的布置、抗震等级以及轴压比等比普 通的剪力墙采取了更严格的限制,而对短肢剪力墙的计算模型、适用高度、构造 措施等没有作明确的说明。这些限制的合理性还有待于进一步分析验证。由于这 种结构的出现较晚,对它的研究不多，故目前工程界对短肢剪力墙的力学特性、抗 震性能以及设计方法还缺乏一致的看法。这已经造成了短肢剪力墙结构设计的混 乱，许多高层住宅结构由于开洞过大，使得剪力墙墙肢过短,连梁高度过大，剪力 墙实际上被设计成了扁柱，给结构的安全性、经济性造成了不利影响。因此，明确 短肢剪力墙的定义

10、、对其力学性能、破坏形态、动力特性、抗震性能以及设计方 法等进行系统的研究,形成一套完整的设计理论，是建筑工程设计中急需解决的 课题。2.2国内外关于联肢剪力墙的研究现状和问题国外对联肢墙理论的研究比较早，早期的研究多为分析方法的研究,在计算 机普遍应用于结构分析之前，人们多采用解析法求解联肢墙问题,其中应用最广 泛的是由Chitty于1947年提出的所谓的连续连接介质法，许多学者基于这种方法 对联肢墙进行了静力或动力分析。前南斯拉夫学者Rosman于1964年应用这种方法: 将沿剪力墙高度规则分布的连梁等效为均匀分布在两墙肢之间的连续连接介质， 并假定在水平荷载作用下，连梁的反弯点在其跨中，

11、墙肢和连梁的特征值沿墙高 为常量，由平衡条件、协调条件（连梁反弯点竖向位移为零）得到联肢墙在水平载 作用下的控制微分方程，求得了联肢墙在顶点集中荷载作用下的近似解。因此， 有些文献将连续连接介质法称为Rosman方法。国内对联肢墙的分析基本上都是应用Chitty连续连接介质法（Rosman方 法），到的控制微分方程是以连梁的分布弯矩为基本未知函数，求得了联肢墙在水 平均布荷载、倒三角形分布荷载和顶点集中荷载作用下的解，这些成果已经应用 于工程设计。剪力墙结构的基本研究方法及其优缺点多年来，国内外的学者针对剪力墙结构的特点建立了许多分析方法和计算模 型。分析方法可以归纳为三大类：数值计算方法、解

12、析方法和半数值半解析方法。 下面对各类方法作一简单介绍：3.1解析法解析法又称等效连续化法或微分方程法。将结构各层的受力构件沿高度方向 进行连续化，然后用微分方程来求解结构的内力和变形。解析法中应用最多的是 等效夹层梁法，最早是由Chitty提出来并用于分析框架结构，剪力墙出现后被推广 应用于联肢剪力墙。开始时，这个方法被用于剪力墙的静力分析,70年代被推广于 动力分析。这种方法局限性很大,只能用于形状和开洞规则的剪力墙，且此方法对 低层和多层建筑误差较大。3.2数值解法此法又称等效离散化法。把一个整体结构连续体离散化为大小和类型不同的 单元体，通过节点连接成整体来代替原有结构,使之满足整体的

13、平衡条件和变形协 调条件，从而可以通过位移法一力法和混合法等方法进行数值求解。由于这种方 法通用性强，易于编制计算程序，又有较高的计算精度,在工程界广为应用。根据所 采用的单元类型的不同，可分成微观模型和宏观模型两大类。3.2.1微观模型随着计算机技术的发展和钢筋混凝土本构关系的深入研究，诞生于20世纪60 年代的钢筋混凝土有限元方法被运用到分析剪力墙结构上。目前,有限元方法还 处于不断发展和完善之中,许多理论问题尚待深入研究。同时，庞大的自由度引起的数值分析上的困难和需要繁重的计算工作量，使得这一方法目前主要用于分析 结构部件或局部结构以及试验的计算机模拟,而在分析和设计实际结构中应用较 少

14、。目前，用于剪力墙结构的微观模型主要有平面应力膜单元和板壳单元。3.2.2宏观模型这种模型相对比较简单，计算量小,力学概念清晰、直观。所以，从分析实际结 构考虑，宏观模型是目前最主要的研究和使用的模型,已在工程设计中广泛应用。 下面对几种主要的宏观模型说明一下：鼻性it分著貌性敷切,图一（1）等效梁模型用等效梁单元对剪力墙沿墙轴线进行离散。该单元的全部非弹性变形集中到 两端的塑性铰上，可用两端的非线性弹簧表示，中间部分为弹性的，如图一（a）所 示。这种模型是最早建立和目前应用最广的模型，其最大缺陷是没有考虑到剪力 墙横截面中性轴的移动,假设其转动始终围绕着墙横截面的形心轴。事实上,随着 墙体线

15、性反应的产生，其中和轴向受压区移动,形心轴和中性轴不再重合。（2）墙板单元模型该模型将墙用墙柱代替,上下端设刚域，并与框架梁柱节点铰接，如图一（b）所 示。采用了受力前后剪力墙横截面保持平面和刚周边的假设，该模型在进行非线 性分析时，存在着与等效梁模型一样的缺点，且对墙体刚度用一个刚度降低系数作 折减，显得过于粗糙。（3）等效支撑模型此模型将墙用具有等效抗剪刚度的支撑替换，同时，对支撑两侧柱截面面积按 等效抗弯刚度进行修正,与框架梁柱节点铰接,如图一（c）所示，主要用于框架一 剪力墙结构。此模型不能体现轴向刚度，在刚度替换过程中导致剪力墙力学性能 的变化，不全符合结构实际受力情况，计算结果存在

16、一定误差,因此,这一模型应用 很少。（4）三垂直杆元模型1984年，在美日合作的高层钢筋混凝土框架一剪力墙结构的模拟振动台试验 基础上,Kabeyasawa等提出了三垂直杆元模型，如图一（d）所示。三个垂直杆元 由位于一楼层上下楼板位置处的无限刚性梁联结，其中外侧的两个杆元代表了墙 两边柱的轴向刚度，中间单元由位于底部的垂直、水平和转动弹簧组成，各代表 了中间墙板的轴向、剪切和弯曲刚度，墙体的滞回特性由这三个杆元分别模拟。 这个模型的主要优点是克服了等效梁模型的缺点!能模拟墙横截面中性轴的移 动。其主要缺点是代表中间墙板弯曲特性的转动弹簧很难与边柱的变形协调。 （5）.多垂直杆元模型为了解决三

17、垂直杆元模型中的弯曲弹簧与两边柱变形协调的问题，基于模拟 弯曲性能的纤维单元模型的思想，Vulcano和Bertero于 1988年提出了一个修正模 型，即多垂直杆元模型，如图一 （e）所示。在这个模型中位于一楼层上下楼板位 置处的无限刚性梁由许多个相互平行的垂直杆单元相连，其中，两侧杆元代表两 边柱的轴向和弯曲刚度。而其它内部的垂直杆元代表了中间墙板的轴向和弯曲刚 度，位于由高度处的水平弹簧代表了墙体的剪切刚度、墙体的转动围绕着形心轴 上的A点发生，即A点为底梁和顶梁的相对转动中心。这个模型克服了三垂直杆 元模型的缺点，而保留了其优点。其滞回特性只需用剪切弹簧和轴向受力杆的滞 回特性来描述，

18、力学概念清晰，计算量不大，是目前最为理想的一种宏观剪力墙 模型。（6）空间薄壁杆件模型在高层结构分析程序TBSA和TAT系列中应用了此计算模型。这种模型考虑 了杆件的弯曲、剪切和轴向变形的影响，在目前高层结构分析中广为应用。工程 应用经验表明：对于高度较大0结构布置比较规则的结构，薄壁杆件模型是比较 理想的，精度足以满足工程设计要求!但对于高度较低或布置比较复杂的结构!此 模型不够理想。（7）壳元墙元模型北京大学推出的SAP84结构分析软件中的墙单元模型是在板壳单元基础上， 根据静力凝聚原理开发的一种四节点矩形单元。该单元既有墙所在平面内的刚度! 又具有平面外的弯曲刚度。3.3半解析半数值法有

19、限元法的优点是众所周知的，但对于许多具有规则几何形状的平面和简单 边界条件的结构来说，完全的有限元分析常常是既浪费又不必要。以力学问题经 典的数学分析方法（解析法）与纯数值方法结合产生的半解析半数值法，吸收了 两者的优点!精度高而未知量不多，目前用于剪力墙结构分析的主要是有限条法。 但有限条法与解析法一样，有较大的局限性，主要适合于形状及开洞都比较规则 的剪力墙。通过上述分析知道，多垂直杆元模型是目前较为理想的一种计算模型。剪力墙研究的发展动向4.1钢板剪力墙钢板剪力墙（下简称钢板墙）结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧 力结构体系。钢板墙单元由内嵌钢板和竖向边缘构件（柱或竖向加劲肋）

20、、水平边 构件（梁或水平加劲肋）构成。当钢板沿结构某跨自上而下连续布置时，即形成钢 板剪力墙体系。钢板墙整体的受力特性类似于底端固接的竖向悬臂组合梁：竖向 边缘构件相当于翼缘，内嵌钢板相当于腹板，而水平边缘构件则可近似等效为横 向加劲肋。过去30年来，关于钢板墙作为主要水平抗侧力体系的试验研究和数值 分析揭示了其独特的表现，包括较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性 性能、稳定的滞回特性等。钢板墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体 系尤其适用于高烈度地震区建筑。钢板墙的如下破坏形式:钢板在对角受压区的压屈破坏;连接钢板及周边梁、 柱耳板的螺栓发生滑移破坏；钢板在对角拉力带发生拉伸屈服

21、破坏；钢板在对角 拉力带因拉伸开裂导致的破坏；边缘梁因弯曲而破坏；边缘柱受压破坏等。我国高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ9998）钢板墙的设计极限状态， 尚没有利用板件弹性局部屈曲后强度。这样可能造成钢板较厚或加劲肋很密，加 劲肋增加了施工难度。正在修订的高层民用建筑钢结构设计规程，试图改进 这一设计准则，使其能够包括和推进薄钢板及薄钢板加劲墙的应用。关于钢板墙的研究在我国时间还不长，还需要在试验和研究方面做大量的工 作，以指导我国相应规范的制订和完善。4.2核芯型钢混凝土（CSRC）结构核芯型钢混凝土（CSRC）结构（见图二）是型钢混凝土结构（SRC）和核心钢 管混凝土结构的发展。相对于普

22、通的钢筋混凝土剪力墙和框架结构有良好的抗震 性能，可与短肢剪力墙结构和异形柱结构体系相结合，形成核心型钢混凝土结构 短肢剪力墙和核芯型钢混凝土异形柱结构体系。核芯型钢混凝土（CSRC）结构能 够有效的实现小高层住宅和办公楼的建筑、结构、经济三者的合理协调，在小高 层住宅和办公楼结构中体现出较好的应用推广前景。CSRC结构形式应用于小高层住宅和多高层办公楼中，相对于其他的钢筋混凝 土结构形式有如下的优点：CSRC结构可以有效的提高柱的轴压力限值、有效的减 小柱截面尺寸，增加建筑的使用空间，减少短柱的现象出现。同时由于型钢主要 配置在柱截面核心，可有效提高柱抗剪承载力，有效提高剪力墙结构的弹塑性变

23、 形能力和延性，非常有利于结构的防倒塌能力。短肢剪力墙结构具有良好的建筑功能和经济性能，是一种具有较高潜在应用 前景的高层住宅结构体系，但是其应用的主要瓶颈是短肢剪力墙的抗震性能较 差，且端部配筋复杂。高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ9998）对短肢剪 力墙的设计规定和构造要求较高，导致短肢剪力墙暗柱配筋暗柱处容易超筋和截 面尺寸偏大等问题，影响了其性能的发挥。若在短肢剪力墙暗柱（或端柱）处配 置CSRC短肢剪力墙，可有效提高暗柱（或端柱）的配筋量，避免暗柱（或端柱） 处出现超筋现象。同时有效提高短肢剪力墙的轴压比限值，使短肢剪力墙设计更 加灵活方便。图二概念设计阶中的注意事项5.1加强结构

24、概念设计，做好结构布置5. 1. 1概念设计的基本内容和方法概念设计是指从结构的宏观整体出发，用结构系统的观点，着眼于结构整体 反应，正确地解决总体方案、材料使用和细部构造。以达到合理抗震设计的目的。 结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出 现敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果仅集中在少数薄弱部位，必会导致结 构过早破坏，目前各种抗震设计方法的前提之一就是假定整个结构能发挥耗散地 震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震作用进行结构计算、构件截面设计并 辅以相应的构造措施，必要时采用弹性时程分析法进行补充计算，试图达到罕遇 地震作用下结构不倒塌的目标。不论是(G

25、BSO011-2001)建筑抗震设计规范， 还是(JGJ32002)(高层建筑混凝土结构技术规程均在相关条文中强调了建筑 与结构概念设计的重要性，要求我们在高层建筑设计中应特别重视有关概念设计 的条文规定。合理确定其抗侧刚度中心位置，使水平合力作用点通过或靠近刚度中心，避 免产生扭转影响。屋面小的塔楼设计要合理，整体上应注意利用赘余杆件来增多 抗震防线，掌握强节点弱构件、强剪弱弯、强柱弱梁等设计概念。剪力墙的布置 应力求各向均匀，且有利于使断面受力均匀。结构的刚度中心和质量中心尽量接 近，减少地震作用下产生扭转。过长的房屋避免在两端设置纵向剪力墙，保证电 梯、楼梯井所构成的抗侧力核心区墙体及楼

26、面梁板刚度。房屋四周阳角宜用“L” 形墙、内墙用“I“十”型墙，防止出现“一”字墙。平面及竖向结构布置 均应满足规范的基本规定。5. 1. 2连梁的概念设计在剪力墙结构中，连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。连梁对于剪力墙的刚度、 承载力和延性等都有十分重要的影响，它又是实现剪力墙二道设防设计的重要构 件。连两端承受反向弯矩作用，截面厚度较小，是一种对剪切变形十分敏感、且 容易出现斜裂缝和容易剪切破坏的构件。设计连梁的特殊要求是：在小震和风荷 载作用下的正常使用状态下，它起着联系墙肢、且加大剪力墙刚度的作用，它承 受弯矩和剪力，不能出现裂缝；在中震下，它允许首先出现弯曲屈服，耗散地震 能量；在大震作用

27、下，可能、也允许它发生剪切破坏。对于本设计的联肢剪力墙(开洞规则的剪力墙)，连梁的设计既要通过限制 轴压比和受弯钢筋配筋率来防止过早地出现剪切破坏，有要严格地按照建筑设计 的各项尺寸确定构件的截面大小，因此有时是无法同时满足各种要求的。我们在 设计时应当在了解连梁受力和变形性能的基础上，在可能的范围内进行调整、采 取对策。下面归纳一下概念设计上关于连梁设计的几个措施：抗风结构(非抗震结构)可以用加大连梁尺寸的方法提高连梁的刚度，从 而增大联肢剪力墙的刚度，以满足结构抗侧刚度的要求。计算时，连梁不 易折减，内力也不易调幅。而抗震结构不易采用加大连梁尺寸的方法提高 剪力墙刚度，相反，开洞剪力墙中的

28、连梁易较小，如结构刚度不足时，可 采用其他方法增大结构总刚度。（2）抗震结构要考虑弹塑性性能以抵抗中震和大震，因此不宜采用刚度很大的 连梁，不宜设计类似整体悬臂（整体小开口剪力墙）的联肢剪力墙，联肢 剪力墙的整体系数a宜取小于10，也不宜采用配筋很多的连梁，应通过连 梁的弯矩调幅设计强墙弱梁的延性剪力墙。（3） 当剪力墙的长度很大时，可开一个大洞口，减小梁高，形成相对较小的连 梁，即采用“弱连梁”将剪力墙分割成长度较小的墙（每段墙可以是联肢 剪力墙，也可以是独立独立墙肢等），“弱连梁”对墙肢约束弯矩很小， 整体系数a 1的连梁属于弱连梁，计算弱连梁的刚度也不宜折减。（4）抗震剪力墙可通过连梁内

29、力调幅降低连梁弯矩，但调整后的连梁弯矩不能 低于风荷载下的连梁弯矩，也不能低于小震下的连梁弯矩。（5）跨高比小于2.5的连梁多数出现剪坏，为避免脆性剪切破坏，主要措施是 控制剪压比和适当增加箍筋数量。（6）为了限制连梁截面剪压比，应当控制连梁的受弯钢筋数量，受弯钢筋不超 过最大配筋率，也不小于最小配筋率。（7）当连梁破坏对承受竖向荷载没有很大影响时，在大震作用下，允许连梁出 现剪切破坏，按照多道设防的概念设计联肢剪力墙。5.2加强结构分析寻求更合理的结构方案前期方案设计的好坏对结构设计的材料耗量影响最 大，有资料表明前期设计工作将影响到投资的25%80%。一般情况下，剪力墙 结构中无论采用大开

30、间或小开间方案。都能满足规范中规定的要求，其墙体配筋 一般只是构造配筋。在以往设计中，常常是一种方案一次电算定方案，结果造成 结构自重大、刚度过大、地震自振周期短、位移值不合理等情况。一些资料已表 明，若将传统的小开间剪力墙方案改为大开间并适当合理地采用一些短肢墙或异 形柱，合理地减少墙体用量，经过计算分析调整结构布置，不但能使结构取得较 好的经济效果还能取得较好的建筑功能效果。所以应尽量避免用小开间剪力墙。 这也就是我们这次设计之所以采用大开间剪力墙的原因所在。5.3加强结构的设计理论的研究要设计考虑好结构中的问题，首先应该了解到各种结构受力的基本特点、基 本概念，灵活地运用规范条文。剪力墙

31、是一平面构件，它承受沿其平面作用的水 平剪力和弯矩，还承担竖向压力，在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受 水平力作用时，类似于一根底部嵌固于基础上的悬臂深梁，弯曲变形和剪切变形 是墙体侧移的主要成份，而平面外的刚度和承载力很小。因此，设计中必须在满 足必要的强度的前提下，通过概念设计，考虑好构造措施，以提高整个结构特别 是薄弱部位的变形能力。若能先利用剪力墙整体系数判别剪力墙的所属类别后， 便可根据各类墙的受力性能合理考虑其构造措施。在一般剪力墙结构中，外纵墙 属于壁式框架，山墙属小开口墙或整体墙，内横墙和内纵墙属联肢墙或小开口墙， 因此应有针对性地根据结构的受力特性和破坏形态考虑设计方案

32、和构造措施。 5.4加强结构的整体性在高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用，楼盖相当 于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要使这些 子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂 或抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能 协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和内力。并与竖向子 结构有效连接，当结构空旷、平面狭长、平面凹凸不规则。楼盖开大洞口时更应 特别注意，设计中不能误认为，在多遇地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变 形影响后，就可以削弱楼盖体系。5.5加强结构构件延性结构或构件的

33、延性是指结构或构件在承载力没有显著下降的情况下，承受变 形的能力。结构的延性好则变形能力好，抗震性能好，有利于防止大地震时结构 突然倒塌。参考一些试验的数据结果可以看出，在压弯共同作用下，实际影响延 性最根本的原因是受压区相对高度，当受压区相对高度增加时，延性减小。从具 体的试验数据分析可以得到这样的结论：（1）轴向压力大时，受压区相对高度越大，延性越小；（2）大偏心受压的剪力墙受压区高度小，其延性教小偏心受压剪力墙要好；有 翼缘或明柱的1字形剪力墙可以减少受压区的高度，延性较好；（3）分布钢筋配筋率高，受压区加大，对弯曲延性不利，但可以提高抗剪能力， 防止脆性破坏；（4）提高混凝土强度等级可

34、以减小受压区高度，也可以提高延性。因此进行结构设计应该设法提高结构中的重点结构构件和关键部位的延性。 例如，在平面布置上，注意提高房屋周边转角处以及复杂平面各翼相接处的构件 及联接的延性。在竖向应注意提高有可能出现塑性变形集中的相对薄弱楼层的杆 件延性，着重加强底层杆件的延性。总之，结构中何处应加强其结构刚度，何处 需加强其配筋，控制其杆件的尺寸及配筋率要求等均应做到有利于提高结构的延 性。所以应考虑好强节点弱构件、强柱弱梁、强剪弱弯的原则，防止盲目加强或 削弱结构的某一部分，影响其结构延性。总之，在剪力墙结构设计过程中一定要 加强结构概念设计、加强结构分析、加强结构的设计方法、加强结构的整体

35、性和 加强结构构件延性，综合考虑各种因素的影响，最终使剪力墙结构安全可靠、经 济合理。本设计的研究内容及步骤6.1工程概况和设计条件6.1.1建筑概况与结构选型本毕业设计为郑州机械学校一栋住宅楼的设计。目前，剪力墙结构作为小康 住宅主要建筑结构体系之一，随着大模现浇施工方法的普遍采用，该结构向大跨 度开放式发展，以克服传统剪力墙开间小，空间划分不灵活的缺点。本毕业设计 拟在郑州市某小康示范小区的设计高层住宅（全现浇剪力墙结构）多栋。结构地 上1222层，地下12层。户型及户室比：二室一厅，5060%；三室一厅， 2030%； 一室一厅：1020%，结构布置体现小康住宅的特点。郑州机械学校的住宅

36、楼，设有一层地下室，地面以上为十八层住宅，局部（电 梯机房）为20层，室内外高差为600mm，层高均为2.8m，建筑高度（室外地面 全主要屋面板的板顶）为51.00m。住宅内部设有两部电梯和两个楼梯。建筑沿x 轴方向的宽度为55.2米，沿y轴方向的宽度为11.4米。根据建筑的实用功能、房屋的高度与层数、场地条件、结构材料以及施工技 术等因素综合考虑，抗侧力结构采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系。剪力墙墙 体的厚度一般均为200mm，地下室混凝土剪力墙厚度为250mm。剪力墙结构的 平面布置见建筑平面图，除图中注明者外，墙体定位均为轴线居中。楼盖结构采用现浇钢筋混凝土板，楼板厚度分别为100mm,

37、120mm、160mm三 种；地下室顶板作为上部结构的嵌固部分，其楼板厚度为180mm。基础采用现 浇钢筋混凝土筏板基础。6.1.2设计的基本条件6.1.2.1建筑结构的设计使用年限、安全等级以及建筑设防类别本工程属于普通高层民用住宅楼，属于一般建筑。根据建筑结构可靠度设 计统一标准第1.0.5条，结构的设计使用年限为50年。按照建筑结构可靠度设计统一标准弟1.0.8条和第7.0.3条，建筑结构的安全等级为二级 结构重要性系数Y = 1.0安全等级为一级，结构重要1 土系0。根据建筑抗震设防分类标准铠3.0.2条和第10.0.2条，建筑抗震设防类别 为丙类。建筑室外地面全檐口的高度为m,建筑高

38、宽比为4.82，根据高层建筑混凝土 结构技术规程(以下简称高规)第4.2.2条和第4.4.3条，本设计属于A级 高度钢筋混凝土高层结构土高层建筑结构。6.1.2.2雪荷载根据建筑结构荷载规范附录D.4全国各城市的50年一遇雪压和风压， 郑州地区的基本雪压:为0.4kN/m2。6.1.2.3风荷载基本风压本工程的房屋高度小于60m,对于风荷载不是很敏感，按照高规第3.2.2条 规定，基本风压-应该按建筑结构荷载规范附录D.4全国各城市的50年 一遇雪压和风压中50年一遇的风压，基本风压巧=0.40kN/m2。 地面粗糙度0本工程位于有密集建筑群的城市市区，地面粗糙度类别为C类。6.1.2.4抗震

39、设防的有关参数拟建场地土层的等效剪切波速为，属于土，建筑场地覆盖层的厚度为m，根 据建筑抗震设防分类标准表4.1.6的规定，建筑的场地类别为II类。按照建筑抗震设防分类标准附录A我国主要城镇抗震设防烈度、 设计基本地震加速度和设计地震分组的规定，郑州市的抗震设防烈度为7度， 设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组。本工程建筑主要屋面的高度为51.00m，根据高规第4.8.2条规定，剪力墙 的抗震等级为三级。6.1.3混凝土结构的环境类别按照混凝土结构设计规范第3.4.1条，本工程混凝土结构可根据其所处环 境条件的不同，划分为一类和二b类两种，地下室底板，底梁和地下室外墙是二 b

40、类，其他均为一类。6.2结构计算模型6.2.1基本假定剪力墙在水平荷载作用下的分析，均采用如下的基本假定：各棉剪力墙在自身平面内的刚度大。而在其平面外的刚度很小，可忽略不计。 这样就可把布置在纵、横两个方向上的剪力墙分开考虑。每根剪力墙只承受其平 面内的水平力，空间结构即可作为平面结构处理。楼盖在其自身平面内的剐度很大，可视为剐度为无穷大的剐土楼盖；而在其 平面外，则刚度很小，可以忽略不计。因此在水平荷载作用下，楼盖只产生刚体 运动，这就意味着各片剪力墙的侧移是相等的。因而整体结构上所承受的水平荷 载就可以根据各片剪力墙的等效抗弯刚度按比例分配给各片剪力墙，然后再分别 对各片剪力墙进行内力和位

41、移的计算。目前，在进行高层建筑结构(特别是剪力墙结构)设计时，大都采用三维空 间有限元软件进行计算。无论是在竖向荷载作用下，还是在风荷载或者多遇水平 地震作用下，均假定结构和构件处于理想弹性状态，故此可以采用弹性方法计算高层混凝土结构在正常使用极限状态和承载力极限状态的变形和内力。由于高层建筑结构的计算模型比较复杂，为了减少结构的自由度，在进行计 算分析时，通常引入“楼板在其平面内刚度无限大，在平面外刚度为零”的假定， 使得每一楼层中任何构件在楼层平面内的平移和转动都可以用该层参考点的平 移和转动表示，从而大大减少了结构的自由度和计算量。6.2.2计算软件本工程采用由中国建筑科学研究院PKPM

42、CAD工程部开发的多层及高层建筑结 构空间有限元分析与设计软件SATWE进行结构的整体力学计算。6.3竖向荷载计算剪力墙结构的竖向荷载包括楼面及屋面荷载、墙体及门窗等重力荷载。墙体 包括承重的钢筋混凝土墙和轻质隔墙。应分别按各自的厚度及材料容重标准值计 算，其两侧的粉刷层（或贴面）重量应计入墙自内。设计时荷载采用的时屋面和楼 面活荷载标准值，以及墙体永久荷载标准值。6.4风荷载作用下的内力和位移的计算6.4.1风荷载作用下的内力计算公式（3）垂直于建筑物表面上的风荷载标准值按公式3计算。z四S 其中表示风荷载标准值（KN/m2）； 6表示高度z处的风振系数；R表 示风荷载体形系数；R表示风压高

43、度变化系数；W。表示基本风压（KN/m2）， 可以按查规范给出的50年一遇的风压，但不得小于0.3 KN / m 2。将由公式3所得风荷载乘以房屋各层受风面宽度可得沿房屋高度的分布风荷载（kN/m），然后按静力等效原理将其换算为作用于各楼层标高处的集中荷载Ft（kN）。风荷载作用下的位移计算对于整体小开口剪力墙，其顶点位移按下式计算:qH 44 旦 EI、u = 1.2 x (1 +)8 EIGAH 4U=1.2 X W/ 4 (1 +EE)120 EI GAH 2PH 33 旦 EI、u=1.2 x(1 +)3 EIGAH 2（均布荷载）（倒三角形分布）（顶点集中荷载）公式（4）其中A截面总

44、面积，A =四A。j=1 J对于联肢墙，其顶点位移按下式计算:u = 1 x ETC eq11 V H 3u x 060 E Iu 1 x V 0H 33 7（均布荷载）（倒三角形分布）（顶部集中荷载）公式（5）6.5地震作用下的内力和位移计算我国建筑抗震设计规范中提出的抗震设防的基本方针是“小震不坏、中 震可修、大震不倒”。在高层建筑混凝土结构抗震设计中.通过两阶段抗震设计 方法来实现“三个水准抗震设防的目标。第一阶段抗震设计是对结构在多遇地震作用下进行弹性分析，主要验算结构 的楼层位移、层间位移、整体稳定性和结构构件的抗震承载力。对于大多数建筑 结构，可以只进行第一阶段抗震设计，通过扰震概

45、念设计和抗震构造措施来满足 第二和第三水准的抗震震设防。6.5.1地震作用下的内力计算根据高规第3.3.4条和4.6.4条，本工程建筑高度大于40m,宜采用振型分 解反应谱法进行结构在多遇地震作用下内力和变形的弹性计算。由于本工程不属 于质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，按照（高规第3.3.2条的规定， 可以只计算单向水平地震作用下的扭转影响。振型分解反应谱法将结构视为多质点体系，计算前若十个自振周期与振型， 利用正则变换，将多自由度体系分解为多个彼此独立的广义单自由度体系。根据 地震加速度反应谱曲线.确定各单自由度体系的最大惯性力，并用静力方法进行 结构的力学计算。将各振型的位移与内力

46、进行组合，从而可以得到结构在水平地 震作用下的位移与内力。由于振型分解反应谱法在落十算过程中综合考虑了地震 地面运动的强弱、建筑场地的性质以及结构自身动力特性的影响，因而是目前在 结构抗震设计中最基本和最常用的计算方法。地震作用下的位移计算见6.4.2,与风荷载作用下的位移计算方式相同。6.6 荷载效应和地震作用效应组合6.6.1无地震作用无地震作用时，根据高规缩.6.1条，荷载效应组合的设计值按下列公式公式（4）确定：S 7 S +甲y S +甲y SG Gk Q Q Qk W W Wk 式中S荷载效应组合的设计值；wkSk,S成S 分别为永久荷载、楼面活荷载和风荷载效应的标准值；分别是永久

47、荷载、楼面活荷载和风荷载效应的分项系数;分别是楼面活荷载和风荷载效应的组合值系数。无地震作用效应组合时，荷载的分项系数应按下列规定采用:当进行承载力计算时永久荷载的分项系数YG :当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的 组合应取1.2,对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当其效应对结构有利时， 应取1.00。楼面活荷载的分项系数y Q :一般情况下应取1.4。风荷载的分项系数Y应取1.4。W当进行位移计算时，公式4中的各分项系数均取.0,无地震作用效应组合时，当永久荷载效应起控制作用时，中q =0.7,平即=0。 当可变荷载效应起控制作用时，甲q =1.0,平即=0.6或甲广0.7,

48、甲广I。6.6.2有地震作用有地震作用时。根据高规第5.6.3条，荷载效应和地震作用效应组合的设 计值应按照下面公式（5）确定：S =y S +y S +y S +甲 y S公式（5）G GE Eh Ehk EV EVkW Wk式中S荷载效应组合的设计值；S gES k 一分别为重力荷载代表值、风荷载标准值的效应；SEk，SEVk 分别为水平地震荷载标准值和竖向地震作用标准值的效应Y G, Y W 分别是重力荷载、风荷载的分项系数；Y副,Yw 分别为水平地震作用和竖向地震作用的分项系数；甲w是风荷载效应的组合值系数。有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应的分项系数应按下列规定 采用:当进

49、行承载力计算时，公式（5）中的各分项系数应按建筑抗震设计规 范中规定的数值采用。对于本设计，层高小于60m,7度抗震设计时：Yg =1.2, YEh =1.3, Yw和Yw不考虑。当重力荷载效应对结构承载力有利时，表371 中的Y g不应大于1.0o当进行位移计算时，全部分项系数均应取1.0,有地震作用效应组合时，风荷载的组合值系数价应取01.0。对于有地震作用效应组合的情况，除应按公式（5）进行荷载效应和地震作 用效应组合外，尚应按公式（4）们进行荷载效应组合，以保证各种工况下结构 的安全性。6.6.3荷载效应和地震作用效应的各种工况组合情况本工程的建筑高度小于60m,抗震设防烈度为7度，各

50、种工况的荷载效应和地震 作用效应的组合。竖向荷载的效应组合1.2永久荷载十1.4活荷载1.35水久荷载+0.7x1.4活荷载1.0永久荷载十1.4活荷载竖向荷载和风荷载的效应组合组合一：1.2永久荷载十1.4凤荷载1.1. 0永久荷载十1.4风荷载组合二1.2永久荷载+1.4活荷载十0.6x1.4风荷载1.2水久荷载+0.7x1.4活荷载+1.4风荷载1.0永久荷载+1.4活荷载十0.6x1.4风荷载1.0永久荷载十0.7x1.4活荷载+1.4风荷载竖向荷载和水平地震作用的效应组合（永久荷载+0.5活荷载）十1.3水平地震作用1.0永久荷载十0.5活荷载）+1.3水平地震作用竖向荷载、水平地震

51、作用及风荷载效应组合1.2（永久荷载十0.5活荷载）+1.3水平地震作用+0.2x 1.4风荷载1.0 （永久荷载十0.5活荷载）+1.3水平地震作用+0.2x1.4风荷载6.6.4构件承载力计算表达式建筑结构构件承载力应按下列公式验算：无地震作用组合 Y SR公式（6）有地震作用组合S R/ Y re公式（7）式中7 结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构 件，不应小于1.0；S作用效应组合的设计值；R构件承载力设计值；Y RE 构件承载力抗震调整系数。6.7各个构件配筋量的计算剪力墙截面的特点

52、是墙肢长度远大于墙体厚度，在其自身平面内具有很大的 侧向刚度度，在结构中往往承受较大的水平作用.是一种有效的抗侧力构件。从 受力状态来看，墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。在进行墙胶的截面设计时， 应进行斜截面受剪承载力计算、偏心受压或偏心受拉状态下的正截面承载力计算 以及墙体平面外轴心受压承载力计算等。这些计算内容在房屋建筑结构这门 课程中我们就已经学习过了，所以一些基本的计算理论和公式就不在赘述了。6.8挠度和裂缝宽度验算6.8.1挠度验算钢筋混凝土受弯构件在正常使用极限状态下的挠度，可根据构件的刚度用结 构力学方法计算。在等截面构件中，可假定各同号弯矩区段内的刚度相等，并取用该区段内最 大

53、弯矩处的刚度。当计算跨度内的支座截面刚度不大于跨中截面刚度的两倍或不 小于跨中截面刚度的二分之一时，该跨也可按等刚度构件进行计算，其构件刚度 可取跨中最大弯矩截面的刚度。受弯构件的挠度应按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度B进 行计算，所求得的挠度计算值不应超过本规范表3.3.2规定的限值。矩形、丁形、倒丁形和1形截而受弯构件的刚度B，可按下列公式计算：公式(9)眼 M(。M+ M BsqK式中M 按荷载效应的标准组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值;KM 按荷载效应的准永久组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩 值;B荷载效应的标准组合作用下受弯构件的短期刚度；S0考虑荷载长期

54、作用对挠度增大的影响系数。裂缝宽度验算根据混凝土结构设计规范(GB50010-2002) 第8.1.2条规定：在矩形、T 形、倒丁形和1形截面的钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件及预应力混凝土轴 心受拉和受弯构件中，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽 度(mm)可按下列公式计算：d )1.9c + 0.08 尹Jb句=以中es公式(10)/ 咋 1.1 - 0.65 p 寸.te skE nd 2 d =_i-eq EnvdD A +A 1 P，e= SV公式中各项内容应该参照混凝土结构设计规范的具体规定计算。在这里就不 在赘述。6.9基础设计基础设计部分采用6.10电算部分采

55、用PKPM软件中的SATWE部分进行结构的整体力学设计。具体的电算部分见设 计说明。设计中各个细部设计的注意事项7.1剪力墙墙肢的加强措施7.1.1剪力墙的布置原则剪力墙应双向或多向布置，宜拉通对齐.不同方向的剪力墙宜分别联结在 一起，避免仅单向有墙的结构布w形式。当剪力墙双向布且相互联结时，纵墙(横 墙)可以作为横墙(纵墙)的翼缘，从而提高其承载力和刚度。在地震区，宜将剪力墙设计成高宽比HIB较大的墙，因为低矮墙(H/B1.5) 属剪切脆性破坏，抗震性能差。因此，当剪力墙较长时，可用楼板无连梁)或跨 高比不小于5的连梁将其分为若干个独立的墙段，每个独立墙段可以是实体墙、 整体小开口墙、联肢墙

56、或壁式框架，每个独立墙段的HIB不宜小于2,且墙肢长 度不宜大于8m。当房屋高度不是很大，为使整个剪力墙结构房屋的刚度适当，除抗震等级为 一级的结构外，也可采用大部分由短肢剪力墙组成的剪力墙结构。短肚剪力墙是 指墙肢截面高度与截面厚度之比为5 一 8且墙厚不小于200mm的剪力墙，这种墙 因高宽比比较大。其延性和耗能能力均比普通墙好，因而近年来得到广泛应用。错洞墙及洞口布置不合理的剪力墙，受力及杭震性能较差，因此剪力墙的 门窗洞口宜上、下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。抗震设计时，一、 二、三级坑震等级的剪力墙不宜采用错洞墙，当必须采用错洞墙时，洞口错开距 离d沿横向及竖向都不宜小丁 2

57、m。为避免剪力墙墙肢刚度不均匀，墙肢过弱， 要求墙肢截面高度与厚度之比不宜小于4。剪力墙宜自下到上连续布置，不宜突然中断，避免刚度突变。7.1.2剪力墙的截面尺寸按一二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或 剪力墙墙支长度的1/16,且不应小于200mm;其他部位不应小于层高或剪力墙无支 长度的1/20,且不应小于160mm。当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时其底部加强 部位截面厚度尚不应小于层高的1/12;其他部位尚不应小于层高的1/15，且不应 小于180mm。按三四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或 剪力墙无支长度的1/20,且不应小于160

58、mm;其他部位不应小于层高或剪力墙无支 长度的1/25,且不应小于160mm。7.1.3墙体最小厚度及钢筋配筋原则建筑抗震设计规范(GB50011-2001)规定，三四级剪力墙的最小厚度为 16mm，从有过的6层住宅剪力墙结构实例来看，采用双层配筋的16mm厚的墙体， 钢筋容易走位，混凝土不易振捣密实。故不宜在整个建筑中大面积采用，对某些 没有门窗洞口的短墙段，作为个别情况尚可考虑，如采用单排配筋，施工无困难。 由于单排配筋不利于承受平面外的弯距，不利于混凝土的抗裂，故不宜采用于承 重墙体。高层建筑剪力墙中竖向和水平分布钢筋不应采用单排配筋，当剪力墙截面 厚度b不大于400mm时,可采用双排配

59、筋；当b大于400mm，但不大于700mm时,宜 采用三排配筋;当b大于700mm时，宜采用四排配筋。受力钢筋可均匀分布成数 排。各排分布钢筋之间的拉接筋间距不应大于600mm,直径不应小于6mm,在底部加 强部位，约束边缘构件以外的拉接筋间距尚应适当加密。在墙体配筋方面，多层和高层住宅剪力墙结构按计算多为构造配筋，理论上 讲满足规范规定的最小含钢率要求是可以的，这也是住宅开发商向设计单位提出 降低用钢量的根据，此问题涉及到结构安全度的考虑，如从结构的抗震能力、结 构的耐久性，从长期的经济效益看，过多的追求降低用钢量指标，在技术经济综 合比较中并非合理，考虑到住宅开发商的经济承受能力，多层剪力

60、墙结构双层配 筋的最小配筋量不应小于。8200mm，高层剪力墙结构双层配筋的最小配筋量不 应小于。10200mm。对居住建筑中的阳台，当挑长较大时，宜采用由培体伸出 的挑梁方案，此时的墙体厚度不应小于180ram，阳台悬挑长N1 500mm，时在支 座板底宜附加钢筋。8200mm，钢筋长度可取挑长的l / 2。7.1.4墙体分布钢筋的设置本设计的剪力墙结构应该设置竖向和横向分布钢筋，分布钢筋的作用是多方 面的：抗剪、抗弯、减少收缩裂缝等。如果竖向钢筋分布过少，墙肢端部的纵向 受力钢筋屈服以后，裂缝将迅速开展，裂缝的长度大且宽度也大；如果横向分布 钢筋过少，斜裂缝一旦出现，就会迅速发展成一条主要