《高层》第5章剪力墙结构设计.ppt
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1、5.1 概述5.2 整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算5.3 联肢剪力墙的计算5.4 壁式框架的计算5.5 剪力墙结构的分类5.6 剪力墙的截面设计5.7 剪力墙轴压比限值及边缘构件配筋要求5.8 短肢剪力墙的设计要求5.9 剪力墙设计的构造要求5.10 连梁截面设计及配筋构造第5章 剪力墙结构设计钢筋绑扎过程中钢筋绑扎过程中浇筑剪力墙用的钢模版浇筑剪力墙用的钢模版浇筑剪力墙用的钢模版浇筑剪力墙用的钢模版剪力墙浇筑混凝土之前剪力墙浇筑混凝土之前剪力墙浇筑混凝土之前剪力墙浇筑混凝土之前剪力墙浇筑混凝土剪力墙浇筑混凝土剪力墙浇筑混凝土剪力墙浇筑混凝土拆除模板后的剪力墙拆除模板后的剪力墙拆除模板后的
2、剪力墙拆除模板后的剪力墙浇筑完成的钢筋混凝土剪力墙浇筑完成的钢筋混凝土剪力墙浇筑完成的钢筋混凝土剪力墙浇筑完成的钢筋混凝土剪力墙剪力墙结构剪力墙结构剪力墙结构剪力墙结构5.1 5.1 概述概述5.1.1 5.1.1 剪力墙结构的特点剪力墙结构的特点 剪力墙是纵横两个方向均由钢筋混凝土墙组成的空间结构体系。除了承受楼板的竖向荷载外,还要承受风荷载、水平地震作用等水平作用。5.1.2 5.1.2 结构布置结构布置5.1.2.1 5.1.2.1 墙体承重方案墙体承重方案1 1)小开间横墙承重)小开间横墙承重特点:每开间设置承重横墙,间距为特点:每开间设置承重横墙,间距为2.72.7.9m.9m,适用
3、于住,适用于住宅、旅馆等小开间建筑。宅、旅馆等小开间建筑。优点:不需要隔墙;采用短向楼板,节约钢筋等。优点:不需要隔墙;采用短向楼板,节约钢筋等。缺点:横墙数量多,承载力未充分利用,建筑平面布置不灵缺点:横墙数量多,承载力未充分利用,建筑平面布置不灵活,房屋自重及侧向刚度大,水平地震作用大。活,房屋自重及侧向刚度大,水平地震作用大。大间距纵、横墙承重大间距纵、横墙承重小开间横墙承重小开间横墙承重大开间横墙承重大开间横墙承重2 2)大开间横墙承重)大开间横墙承重特点:每两开间设置一道承重横墙,间距一般特点:每两开间设置一道承重横墙,间距一般6 68m8m。楼盖多采用。楼盖多采用混凝土梁式板或无粘
4、结预应力混凝土平板。混凝土梁式板或无粘结预应力混凝土平板。优点:使用空间大,平面布置灵活;自重较轻,基础费用相对较优点:使用空间大,平面布置灵活;自重较轻,基础费用相对较少。少。缺点:楼盖跨度大,楼盖材料增多。缺点:楼盖跨度大,楼盖材料增多。3 3)大间距纵、横墙承重)大间距纵、横墙承重特点:每两开间设置一道横墙,间距为特点:每两开间设置一道横墙,间距为8m8m左右。楼盖采用混凝土左右。楼盖采用混凝土双向板,或在每两道横墙之间布置一根进深梁,形成纵、横墙混合双向板,或在每两道横墙之间布置一根进深梁,形成纵、横墙混合承重。承重。从使用功能、技术经济指标、受力性能等方面来看,大间距从使用功能、技术
5、经济指标、受力性能等方面来看,大间距方案较优越。目前趋向于采用大间距、大进深、大模板、无粘结预方案较优越。目前趋向于采用大间距、大进深、大模板、无粘结预应力混凝土。应力混凝土。剪力墙结构的布置实例白云宾馆3333层,层,112.45112.45米,剪力墙结构,米,剪力墙结构,19761976年建成,国内首栋百米高层。年建成,国内首栋百米高层。3600400080008000660003000360003000660008000800040003600700007850785023001 1)宜沿主轴方向双向或多向布置,)宜沿主轴方向双向或多向布置,不同方向的剪力墙宜联结不同方向的剪力墙宜联结在
6、一在一 起起,应尽量拉通、对直;抗震设计时,宜使两个方向,应尽量拉通、对直;抗震设计时,宜使两个方向侧向刚度接近;剪力墙墙肢截面宜简单、规则。侧向刚度接近;剪力墙墙肢截面宜简单、规则。5.1.2.2 5.1.2.2 剪力墙的布置原则剪力墙的布置原则2 2)剪力墙布置不宜太密,)剪力墙布置不宜太密,使结构具有适宜的侧向使结构具有适宜的侧向刚度;若侧向刚度过大,刚度;若侧向刚度过大,不仅加大自重,还会使不仅加大自重,还会使地震力增大。地震力增大。3 3)剪力墙宜自下到上连续布置,避免刚度突变。)剪力墙宜自下到上连续布置,避免刚度突变。4 4)剪力墙长度较大时,可通过开设洞口将长墙分成若干均匀)剪力
7、墙长度较大时,可通过开设洞口将长墙分成若干均匀的独立墙段。的独立墙段。墙段的长度不宜大于墙段的长度不宜大于8m8m。5 5)剪力墙的门窗洞口宜上下对齐,成列布置。宜避免使用错)剪力墙的门窗洞口宜上下对齐,成列布置。宜避免使用错洞墙和叠合错洞墙。洞墙和叠合错洞墙。一、二、三级剪力墙底部加强部位不宜采用错洞墙一、二、三级剪力墙底部加强部位不宜采用错洞墙一、二、三级剪力墙不宜采用叠合错洞墙一、二、三级剪力墙不宜采用叠合错洞墙6 6)当剪力墙与平面外方向的梁连结时,可加强剪力)当剪力墙与平面外方向的梁连结时,可加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力(可在墙内设置墙平面外的抗弯刚度和承载力(可在墙内设置扶壁
8、柱扶壁柱、暗柱暗柱或与梁相连的或与梁相连的型钢型钢等措施);或减小梁端弯矩的等措施);或减小梁端弯矩的措施(如设计为铰接或半刚接)。措施(如设计为铰接或半刚接)。7 7)短肢剪力墙是指墙肢截面)短肢剪力墙是指墙肢截面长度与厚度之比为长度与厚度之比为5-85-8的剪的剪力墙力墙,高层结构,高层结构不应不应采用采用全部全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙结构的最大适用高度应适当降低。短肢剪力墙结构的最大适用高度应适当降低。5.1.3 5.1.3 剪力墙分类及判别方法剪力墙分类及判别方法剪力墙分类一(按墙肢长度)剪力墙分类一(按墙肢长度)1.一般剪力墙(墙肢截面高度与墙
9、厚之比大于8)2.短肢剪力墙(墙肢截面高度与墙厚之比为48)剪力墙分类二(按是否开洞、开洞大小)剪力墙分类二(按是否开洞、开洞大小)1.整截面剪力墙2.整体小开口剪力墙3.双肢及多肢剪力墙4.壁式框架按按整体性系数、墙肢惯性矩比对剪力墙类型的判别方法整体性系数、墙肢惯性矩比对剪力墙类型的判别方法(1 1)整截面剪力墙)整截面剪力墙几何判定不开洞的剪力墙或开洞面积不超过墙体面积的16%,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,这种墙体称为整截面剪力墙(或称悬臂剪力墙)。受力特点整体剪力墙的受力状态如同竖向悬臂墙,截面变形后仍符合平面假定,因而截面应力可按材
10、料力学公式计算。变形以弯曲型为主。整截面墙整截面墙(2 2)整体小开口剪力墙)整体小开口剪力墙几何判定:(1)洞口稍大一些,且洞口沿竖向成列布置,(2)洞口面积超过墙面总面积的16%,但洞口对剪力墙的受力影响仍较小。受力特点:在水平荷载下,由于洞口的存在,墙肢中已出现局部弯曲,其截面应力可认为由墙体的整体弯曲和局部弯曲(不大于整体弯矩的15%)二者叠加组成,截面变形仍接近于整截面墙。内力和变形仍按材料力学计算,然后适当修正。整体小开口墙整体小开口墙(3 3)联肢剪力墙)联肢剪力墙 几何判定:沿竖向开有一列或多列较大的洞口,可以简化为若干个单肢剪力墙或墙肢与一系列连梁联结起来组成。受力特点:连梁
11、对墙肢有一定的约束作用,墙肢局部弯矩较大,整个截面正应力已不再呈直线分布。墙肢连梁墙肢联肢剪力墙联肢剪力墙(4 4)壁式框架)壁式框架 几何判定:当剪力墙成列布置的洞口很大,且洞口较宽,墙肢宽度相对较小,连梁的刚度接近或大于墙肢的刚度。受力特点:与框架结构相类似。壁式框架壁式框架总结:剪力墙总结:剪力墙总结:剪力墙总结:剪力墙按开口按开口按开口按开口的分类的分类的分类的分类随着开口的增加,变形逐渐随着开口的增加,变形逐渐 由由弯曲型弯曲型过渡到过渡到剪切型剪切型壁式框架连梁1、剪力墙墙肢的破坏形态 在轴压力和水平力的作用下,墙肢的破坏形态与实体墙的破坏形态相同:弯曲破坏弯曲破坏弯剪破坏弯剪破坏
12、剪切破坏剪切破坏滑移破坏滑移破坏剪力墙类型判别剪力墙类型判别例题例题15层剪力墙,总高42.4m,截面尺寸如图所示,试判别剪力墙的类型。1 1 .材料力学分析法材料力学分析法 对于整体墙,在水平力作用下截面仍保持平面,法向应力呈线对于整体墙,在水平力作用下截面仍保持平面,法向应力呈线性分布,可采用材料力学中有关公式计算内力及变形。性分布,可采用材料力学中有关公式计算内力及变形。2 2 .连续化方法连续化方法将每一楼层的连梁假想为在层高内均布的一系列连续连杆,由将每一楼层的连梁假想为在层高内均布的一系列连续连杆,由连杆的位移协调条件建立墙的内力微分方程,从中求解出外力。连杆的位移协调条件建立墙的
13、内力微分方程,从中求解出外力。3 3 .壁式框架分析法壁式框架分析法将开有较大洞口的剪力墙视为带刚域的框架,用将开有较大洞口的剪力墙视为带刚域的框架,用D D值法进行求值法进行求解,也可以用位移法借助计算机进行求解。解,也可以用位移法借助计算机进行求解。4 4 .有限元法和有限条法有限元法和有限条法将剪力墙结构进行等效连续化处理后,取条带进行计算。将剪力墙结构进行等效连续化处理后,取条带进行计算。5.1.4 剪力墙的分析方法剪力墙结构在竖向荷载下的内力方法剪力墙结构在竖向荷载下的内力方法力传递路线传递路线(各剪力墙按它的负荷面积计算荷载)楼板 墙(除连梁内产生弯矩外,墙肢主要受轴力)剪力墙的内
14、力计算方法剪力墙的内力计算方法每片剪力墙作为竖向悬臂构件,按材料力学方法计算。荷载等效地化为作用于剪力墙形心轴处的轴向力荷载等效地化为作用于剪力墙形心轴处的轴向力N N和弯矩和弯矩MMn整截面剪力墙:所受的轴向力Nn小开口整体剪力墙:轴向力N按各墙肢截面面积分配,弯矩一般较小,近似计算常忽略其影响n联肢剪力墙:同小开口整体剪力墙n壁式框架:同普通框架(分层法)剪力墙结构在水平荷载下的内力和位移计算方法剪力墙结构在水平荷载下的内力和位移计算方法基本假定基本假定1.不同方向的剪力墙分别作为平面结构处理2.楼板刚度无穷大,每一方向的各榀剪力墙按等效刚度分配水平荷载各榀剪力墙的内力和位移计算方法各榀剪
15、力墙的内力和位移计算方法1.整截面剪力墙:材料力学方法2.整体小开口剪力墙:材料力学方法(修正)3.联肢剪力墙:连续化近似方法4.壁式框架:D值法考虑小洞口的折算截面面积和等效惯性矩顶点位移(考虑剪切变形影响)(5.4)(5.3)(5.1)5.2 整体剪力墙及整体小开口剪力墙的计算顶点位移(换算成弯曲变形形式)等效刚度EIeq(5.6)(5.7)整体小开口剪力墙整体小开口剪力墙内力计算:总弯矩分为两部分,计算墙肢弯矩、轴力和剪力墙肢弯矩墙肢轴力墙肢剪力个别细小墙肢弯矩顶点位移:放大1.2倍(5.14)(5.16)(5.15)(5.17)整体小开口剪力墙例题整体小开口剪力墙例题15层整体小开口剪
16、力墙,总高42.4m,截面尺寸及所受水平地震作用如图所示,材料弹性模量E=2.55X104MPa,试:1、求墙肢基底截面内力;2、求顶部位移。5.3 5.3 双肢剪力墙(连续化方法)双肢剪力墙(连续化方法)基本假设:1.连梁的反弯点在跨中,每一楼层处的连梁可以离散为均布在整个层高范围内的连续化连杆;2.各墙肢的变形曲线相似,水平位移相等(不考虑连梁的轴向变形);3.连梁和墙肢考虑弯曲和剪切变形,墙肢还应考虑轴向变形。基本思路:采用力法来进行结构的计算,沿着连梁中点将结构切开,切开后结构为静定结构,根据假定1(反弯点在中点),切开后连杆端弯矩为0。连杆有剪力(x)与轴力(x),根据假定2,由于(
17、x)与求解无关,不必求解。因此我们不必考虑。由切开处的变形连续条件可建立(x)的微分方程,求解微分方程可得到连杆剪力(x)。将一个楼层高度范围内的各点剪力积分,还原成一根连梁中的剪力,然后可求出所有墙肢和连梁的内力。力法方程的建立力法方程的建立1、将连杆在中点切开,由于连梁 中点是反弯点,切口处弯矩为 零,只有剪应力和正应力2、连杆切口处沿方向的变形连续条件:力法方程的建立力法方程的建立3、引入平衡条件与力变形关系,得到双肢墙的基本微分方程 为连杆剪力对两墙肢中心约束弯矩之和 为连梁考虑剪切变形后的折算惯性矩 为连梁的刚度系数 为未考虑墙肢轴向变形的整体系数 为考虑了墙肢轴向变形的整体系数 为
18、双肢组合截面形心轴的面积矩(5.36)力法方程的求解力法方程的求解代换:化简方程为:奇次方程解为特解为引入边界条件:墙顶弯矩为零,墙底转角为零得到方程的解 (查表)(6.49)(6.51)双肢剪力墙的内力计算双肢剪力墙的内力计算i层连梁约束弯矩i层连梁的剪力i层连梁端部弯矩i层以上墙肢弯矩i层以上墙肢轴力i层以上墙肢剪力(5.50)(5.48)(5.49)(5.47)双肢剪力墙的位移计算双肢剪力墙的位移计算顶点位移(换算成弯曲变形形式)等效抗弯刚度EIeq(5.62)(5.63)5.4 5.4 壁式框架的计算壁式框架的计算壁式框架的特点:1.壁式框架带刚域2.截面较宽,剪切变 形影响不容忽视l
19、壁式框架刚域长度l壁式框架计算方法壁式框架中带刚域杆件的刚度系数 带刚域杆件的梁端约束弯矩系数可以由结构力学的方法计算到:与普通杆件的梁端约束弯矩 系数相比较,即可知道带刚 域杆件的刚度系数为:(6.86)(6.87)壁式框架中壁柱的抗侧刚度壁式框架中壁柱的抗侧刚度DD 抗侧刚度计算式 壁式框架中壁式框架中反弯点高度的修正反弯点高度的修正 5.4.3 5.4.3 壁式框架位移计算壁式框架位移计算梁柱弯曲变形产生的侧移梁柱弯曲变形产生的侧移:层间位移层间位移 顶点位移顶点位移 壁柱反弯点位置剪力墙类型的判别方法剪力墙类型的判别方法利用两个参数利用两个参数1.整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的相对关
20、系2.墙肢惯性矩比值判别准则判别准则当当当且且且为整体小开口墙;为壁式框架;为联肢墙;一个是一个是各墙肢间的整体性各墙肢间的整体性,由剪力墙的,由剪力墙的整体工作系数整体工作系数 来反映;来反映;一个是沿墙肢高度方向一个是沿墙肢高度方向是否会出现反弯点是否会出现反弯点,出现反弯点的层数越,出现反弯点的层数越多,其受力性能越接近于壁式框架。多,其受力性能越接近于壁式框架。1 1、剪力墙的整体性、剪力墙的整体性 值的大小反映了值的大小反映了连梁对墙肢约束作用的程度连梁对墙肢约束作用的程度,对剪力墙的受,对剪力墙的受力特点影响很大,因此可利用力特点影响很大,因此可利用 值作为剪力墙分类的判别准则之一
21、。值作为剪力墙分类的判别准则之一。剪力墙类型的判别方法注:四个参数的物理意义:注:四个参数的物理意义:D D 为连梁为连梁的刚度系的刚度系数数S S 为双肢墙中一为双肢墙中一个墙肢对个墙肢对组合截面形心轴组合截面形心轴的面积矩的面积矩(反映洞口大小)(反映洞口大小)1 1为连梁与为连梁与墙肢刚度比墙肢刚度比 为剪力为剪力墙的整体工墙的整体工作系数作系数 注:注:值越大,表明连梁的相对刚度越大,墙肢刚度相对较值越大,表明连梁的相对刚度越大,墙肢刚度相对较小,连梁对墙肢的约束作用也较大,墙的整体工作性能好,接近小,连梁对墙肢的约束作用也较大,墙的整体工作性能好,接近于整截面墙或整体小开口墙。于整截
22、面墙或整体小开口墙。2 2、墙肢惯性矩比、墙肢惯性矩比 I I A A /I /II I为剪力墙对组合截面形心轴的惯性矩,为剪力墙对组合截面形心轴的惯性矩,I IA A=I-=I-I Ii i I Ii i为第为第i i个墙肢对自身形心轴的惯性矩个墙肢对自身形心轴的惯性矩 组合组合截面截面形心形心墙肢墙肢A A2 2墙肢墙肢A A1 1I IA A/I I 值反映了剪力墙截面削弱的程度。值反映了剪力墙截面削弱的程度。I IA A/I I 值大,说明截值大,说明截面削弱较多,洞口较宽,墙肢相对较弱。因此,当面削弱较多,洞口较宽,墙肢相对较弱。因此,当I I A A/I I 增大到增大到某一值时,
23、墙肢表现出框架柱的受力特点,即沿高度方向出现某一值时,墙肢表现出框架柱的受力特点,即沿高度方向出现反反弯点弯点。注:判别墙肢出现反弯点注:判别墙肢出现反弯点时时 I IA A/I/I 的界限值用的界限值用 Z Z 表示,表示,Z Z值值与与和层数和层数 n n 有关,可按表查得。有关,可按表查得。结论:结论:(1)(1)洞口立面面积洞口立面面积 16%16%墙面立面面积,且洞口间净距墙面立面面积,且洞口间净距 及孔洞至墙边的距离及孔洞至墙边的距离 孔洞长边尺寸,属整体墙;孔洞长边尺寸,属整体墙;(2)(2)当当 1 1 时,时,可按独立墙肢分别计算;可按独立墙肢分别计算;(3)(3)当当 1
24、1 100 x0,应使应使(2 2)按计算求)按计算求 ,方法同大偏压,只是,方法同大偏压,只是N N改为负号改为负号小偏拉小偏拉 (全截面受拉)(全截面受拉)高层建筑设计规中要求不宜在双肢剪力墙中出现小偏拉高层建筑设计规中要求不宜在双肢剪力墙中出现小偏拉 。说说明明:考考虑虑地地震震作作用用时时,承承载载力力计计算算公公式式右右边边都都要要乘乘以以承承载载力抗震调整系数力抗震调整系数 。2 2 .偏心受拉强度计算公式偏心受拉强度计算公式:(1 1)无地震作用组合无地震作用组合(2 2)有地震作用组合有地震作用组合剪力墙平面外轴心受压正截面承载力计算剪力墙平面外轴心受压正截面承载力计算l计算公
25、式l加强剪力墙平面外刚度和承载力的措施保证不发生斜保证不发生斜压压破坏破坏 通过限制剪力墙通过限制剪力墙截面的最小尺寸截面的最小尺寸;保证不发生斜保证不发生斜拉拉破坏破坏 通过满足通过满足最小配筋率最小配筋率;保证不发生保证不发生剪剪压破坏压破坏 通过计算所需的通过计算所需的水平钢筋水平钢筋。5.6.2 5.6.2 墙肢斜截面抗剪承载力墙肢斜截面抗剪承载力80剪力墙的剪切破坏剪力墙的剪切破坏墙肢斜截面抗剪承载力计算墙肢斜截面抗剪承载力计算1 1 .偏心受压时抗剪承载力计算公式为偏心受压时抗剪承载力计算公式为:无地震作用时:无地震作用时:有地震作用组合时:有地震作用组合时:要求:要求:剪跨比剪跨
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- 高层 剪力 结构设计
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