第五讲二剪力墙结构的构件设计与构造.docx
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1、第五讲(二) 剪力墙结构的构件设计与构造本章内容:前言剪力墙结构内力与设计特点一、剪力墙结构的布置和一般规定二、墙肢正截面受弯承载力计算三、墙肢斜截面抗剪承载力计算四、悬臂剪力墙(整体墙)设计和构造1、破坏形态和设计要求2、剪力墙截面配筋构造3、抗震延性整体悬臂剪力墙(无开口墙)的设计和构造五、开洞剪力墙设计和构造1、连梁截面设计和构造2、延性联肢墙设计前言剪力墙结构内力与设计特点1、从空间体系到平面体系只考虑平面内的受力,面外强度和刚度忽略不计。2、剪力墙构件分类(整体墙和连肢墙)(1)整体墙受力特点:在水平荷载和竖向荷载组合作用下,独立墙肢任意高度处内力有弯矩、轴力和剪力。应分别进行偏心受
2、压、偏心受拉和抗剪承载力计算。(2)连肢墙(以双肢墙为例)内力特点:由洞口将剪力墙分为竖向墙肢构件和水平连梁构件两部分。如下图所示。其中,竖向墙肢构件作用有弯矩、轴力和剪力,应分别进行偏心受压、偏心受拉和抗剪承载力计算。水平连梁构件作用有弯矩和剪力,抗弯和抗剪承载力计算。3、延性剪力墙设计可与框架结构延性抗震设计思路相对应:(1)强柱弱梁强墙弱梁(2)强剪弱弯墙肢的强剪弱弯与连梁的强剪弱弯(3)局部加强剪力墙的加强区 独肢墙连肢墙(4)限制柱轴压比墙肢的轴压比4、竖向墙肢端部的加强构造边缘构件与约束边缘构件竖向墙肢中除应配置纵向分布钢筋与水平分布钢筋外,还应对墙肢的两端进行加强配筋。墙肢端部应
3、根据不同情况设置边缘构件,分别是构造边缘构件与约束边缘构件一般墙肢构造边缘构件特殊墙肢钢筋混凝土剪力墙的设计要求是:在正常使用荷载及风载、小震作用下,结构应处于弹性工作阶段,裂缝宽度不能过大;在中等强度地震作用下(设防烈度),允许进入弹塑性状态,必须保证在非弹性变形的反复作用下,有足够的承载力、延性及良好吸收地层能量的能力;在强烈地震作用(罕遇烈度)下,剪力墙不允许倒塌,要保证剪力墙仍能站住。按照墙的几何形状及有无洞口,剪力墙可分为上图所示的各种类型。它们的破坏形态和配筋构造既有共性,又各有特殊性。剪力墙通常可分为墙肢及连梁两类构件。下面先介绍剪力墙结构的布置和一般规定,墙肢截面配筋计算,然后
4、分别介绍各类剪力墙的设计和构造要求,特别是抗震设计和构造要求。连梁设计和构造将在开洞剪力墙中介绍。一、剪力墙结构的布置和一般规定剪力墙结构的布置和一般规定如下: (1)高层剪力墙结构,墙体应沿主轴方向或其他方向双向布置,形成对承受竖向荷载有利、抗侧力刚度大的平面和竖向布局。在抗震结构中,应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙墙肢截面宜简单、规则,剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。剪力墙间距不宜太密,宜采用大开间布置。剪力墙宜自下而上连续布置,避免刚度突变。 (2)一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙,短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为48的剪力墙。高层建筑结构不应采用全部为短肢剪
5、力墙的剪力墙结构。B级高度高层建筑以及抗震设防烈度为9度的A级高度高层建筑,不宜布置短肢剪力墙,不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。当短肢剪力墙较多时,应布置简体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与简体(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: 1)其最大适用高度应比一般剪力墙结构的规定值适当降低,且7度、8度(0.2g)和8度(0.3g)时抗震设计时分别不应大于100m、80m和60m。 2)抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50。 3) 短肢剪力墙截面厚度底部加强部位不应小于200mm,其他部位不应小于180mm。
6、 4)抗震设计时,各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比,抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于0.4、0.5和0.55;对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,其轴压比限值相应降低0.1。 5)抗震设计时,除底部加强部位应调整剪力设计值外,其他各层短肢剪力墙的剪力设计值,一、二、三级抗震等级应分别乘以增大系数1.4、1.2和1.1。6)抗震设计时,短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率,底部加强部位一、二级不宜小于1.2,三、四级不宜小于1.0%。其他部位一、二级不宜小于1.0,三、四级不宜小于0.8%。 7)不宜采用一字形短肢剪力墙,不宜在一字形短肢剪力墙 8)7度和8度抗震
7、设计时。短肢剪力墙宜设置翼缘,一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。 9)B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑,不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。(3)较长的剪力墙可用跨高比不小于5的弱连梁分成较为均匀的若干个独立墙段(见下图),每个独立墙段可为整体墙或联肢墙,每个独立墙段的总高度和墙段长度之比不宜小于3,避免剪切破坏,提高变形能力。每个墙段具有若干墙肢,每个墙肢的长度不宜大于8m。当墙肢长度超过8m时,应采用施工时墙上留洞,完工时砌填充墙的结构洞方法,把长墙肢分成短墙肢(见下图)。(4)应控制剪力墙平面外的弯矩。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时,应至少
8、采取以下措施中的一个措施,减小梁端部弯距对墙的不利影响。1)沿梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙,抵抗该墙肢平面外弯矩。 2)当不能设置与梁轴线方向相连的剪力墙时,宜在墙与梁相交处设置扶壁柱,其截面宽度不小于梁宽;扶壁柱宜按计算确定截面及配筋。 3)当不能设置扶壁柱时,应在墙与梁相交处设置暗柱,暗柱的截面宽度可取梁宽加2倍墙厚。 4)必要时,剪力墙内可设置型钢。 5)将梁端设计成铰接或做成变截面梁(梁端截面减小),以减少梁在竖向荷载下的端弯矩对墙平面外弯曲的不利影响。 6)梁与墙连接时,梁内钢筋应锚人墙内,并有足够的锚固长度。暗柱、扶壁柱纵向钢筋的构造最小配筋率设计状况抗震设计非抗震设计一级二级三
9、级四级配筋率%0.90.70.60.50.5(5)剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁,按本章有关规定进行设计;当跨高比不小于5时,宜按框架梁进行设计。不宜将楼板主梁支承在剪力墙之间的连梁。(6)剪力墙结构的剪力墙沿竖向宜连续分布,上到顶下到底,中间楼层不宜中断。墙厚度沿竖向应逐渐减薄,截面厚度变化时不宜太大。厚度改变与混凝上强度等级的改变宜错开楼层,避免结构刚度突变。 当设防烈度为8度或小于8度的剪力墙结构,顶层需减少部分剪力墙时,该层刚度不应小于相邻下层刚度的70,楼、顶板按转换层处理。 当底部需要大空间而部分剪力墙不落到底时,应设置转换层,按框支剪力墙结构设计。(7)高层剪力墙结构,应尽量
10、减轻建筑物重量,宜采用大开间结构方案,在保证结构安全的条件下尽量减小构件截面尺寸,采用轻质高强材料。剪力墙的混凝土强度等级不应低于C20。非承重隔墙宜采用轻质材料。短肢剪力墙简体结构的混凝土强度等级不应低于C25。 (8)剪力墙的厚度及尺寸应满足以下要求:1)按一、二级抗震等级设计的剪力墙,当两端有翼缘或端柱时,厚度不应小于层高的1/20,且不应小于160mm;底部加强区截面厚度不应小于层高或剪力墙无支长度的11 6,且不应小于200mm。当无端柱或翼墙一字形剪力墙时,厚度不应小于层高的1/15,且不应小于220mm。无端柱或翼墙的底部加强区截面厚度不宜小于层高的1/12。 2)按三、四级抗震
11、等级和非抗震设计的剪力墙,厚度不应小于楼层高度的l/25,且不应小于160mm。其底部加强区厚度不宜小于层高或剪力墙无支长度的1/20且不宜小于160mm。 3)当墙厚不能满足上述1)、2)款时,可按下列要求验算:剪力墙墙肢应满足下式的稳定要求:剪力墙墙肢计算长度应按下式采用:式中:为墙肢计算长度系数,h为墙肢所在楼层的层高。 墙肢计算长度系数应根据墙肢的支承条件按下列公式计算:4)剪力墙井筒中,分隔电梯井或管道井的墙厚度可适当减小,但不应小于160mm。(9)为减少上下剪力墙的偏心,内墙厚度变化宜两侧同时内收。为保持外墙面而平整,楼梯间墙为上下完整,电梯井墙为安装电梯方便,可以一侧内收。 (
12、10)剪力墙的门窗洞口宜对齐,成列布置,形成明确的墙肢和连梁。洞口设置应避免墙肢刚度相差悬殊。抗震设计时,一、二、三级抗震等级的剪力墙底部加强部位不应采用错洞墙,一、二、三级抗震等级的剪力墙底部加强部位均不宜采用叠合错洞墙。当必须错洞时,洞口错开距离不宜小于2m,并应设置暗框架(见下图)。底层局部有错洞墙时,应在一、二层形成暗框架,将底层墙的暗柱伸入二层。二层的洞口下边设暗梁。(11)高层剪力墙结构,当采用预制圆孔板、预制大楼板等预制装配式楼板时,剪力墙厚度不宜小于160mm。预制板板缝宽度不宜小于40mm,板缝大于60mm时应在板缝内配置钢筋。 有抗震设防时,高度大于50m的剪力墙结构中,宜
13、采用现浇楼板或装配整体式叠合楼板。 (12)高层剪力墙结构在平面中,门窗洞口距墙边距离一般要求宜按下图所示。应避免三个以上洞集中于同一十字交叉墙附近。 (13)高层剪力墙结构的女儿墙宜采用现浇。当采用预制女儿墙板时,高度一般不宜大于1.5m,且拼接板缝应设置现浇钢筋混凝土小柱。 屋顶局部突出的电梯机房、楼梯间、水箱间等小房墙体,应采用现浇钢筋混凝土,且尽量使下部剪力墙延伸,不得采用砖砌体结构。 (11)高层剪力墙结构,当在顶层设置大房间而将部分剪力墙去掉时,大房间应尽量设在结构单元的中间部位。楼板和屋顶板宜采用现浇或其他整体性好的楼板,板厚不宜小于180mm,配筋按转换层要求。当设屋顶梁时,为
14、保证剪力墙有足够的承压承载力,可将梁做成宽梁。二、墙肢正截面受弯承载力计算剪力墙属于偏心受压或偏心受拉构件。它的特点是:截向呈片状(截面高度远大于截面厚度);墙板内配有均匀的竖向分布钢筋。通过试验可见,这些分布钢筋都能参加受力,对抵抗弯矩有一定作用,计算中应加以考虑。但是,由于竖向分布钢筋都比较细(多数在12以下),容易产生压屈现象,所以计算时忽略受压区分布钢筋作用,使设计偏于安全。 和柱一样,墙肢也可根据破环形态不同分为大偏心受压、小偏心受压、大偏心受拉和小偏心受拉等四种情况。根据平截面假定及极限状态下截面应力分布假定,并进行简化后得到截面计算公式。1、大偏心受压承载力计算公式()根据平截面
15、假定,当时,构件为大偏心受压,平衡配筋的受压区高度为:大偏心受压时,极限状态下截面应变状态如下图所示。受拉钢筋应力,分布钢筋达到屈服应力,下图所示为端部钢筋受压区混凝土及经过简化处理的分布钢筋应力分布。除了未考虑受压区的分布筋外,在中和轴附近的分布钢筋应力较小,也不计入,因此,只计算范围内的分布筋,并认为它们都达到了屈服应力。根据平衡条件,可写出和两个方程式。在矩形截面中,对混凝土受压区中心取矩可得:对下式进行变形、整理得:设计时要求:即:其中:2、小偏心受压承载力计算()在小偏心受压时,截面全部受压或大部分受压,受拉部分的钢筋未达到屈服应力。因此所有分布钢筋都不计入抗弯。这时,剪力墙截面的抗
16、弯承载力计算和柱子相同,如下图所示,计算基本公式为:受拉钢筋应力根据平截面假定确定,为简化计算,可以采用下述公式:其中:得:在小偏心受压时,要求验算剪力墙平面外的稳定,此时,按轴心受压构件计算。新高层规范7.2.8推荐公式矩形、T形、I形偏心受压剪力墙肢正截面受压承载力公式持久、短暂设计状况当时当时当时当时地震设计状况3偏心受拉承载力计算当墙肢截面承受拉时,由偏心距大小判别其属于大偏心受拉还是小偏心受拉:在大偏心受拉情况下(见下图),截面部分受压,极限状态下的截面应力分布与大偏心受压相同,忽略压区及中和轴附近分布钢筋作用的假定也相同。因而,基本计算公式与大偏心受压相似,仅轴力的符号不同,即:因
17、此,在对称配筋时,计算公式与大偏心受压相似,仅轴力的有关项需变号:考虑地震作用或不考虑地震作用,正截面抗弯承载力的计算公式都是相同的。但必须注意,在考虑地震作用时,承载力计算公式要采用承载力抗震调整系数,即在各类情况中的承载力验算公式右边都要乘以。矩形截面偏心受拉剪力墙的正截面受拉承载力公式:持久、短暂设计状况地震设计状况三、墙肢斜截面抗剪承载力计算 剪力墙中斜裂缝出现可能有两种情况。一是由弯曲受拉边缘先出现水平裂缝,然后向倾斜方向发展成为斜裂缝;另一是因腹板中部主拉应力过大而出现斜向裂缝,然后向两边缘发展。 斜裂缝出现后的剪切破坏可能有以下三种情况: (1)当无腹部钢筋或腹部钢筋过少时,斜裂
18、缝一旦出现,很快会形成一条主裂缝,使构件劈裂而丧失承载能力。为避免这类剪拉破坏的主要措施是配置必需的腹部钢筋。 (2)当配置足够的腹部钢筋时,腹部钢筋可抵抗斜裂缝的开展。随着裂缝逐步扩大,混凝土受剪的区域减小,最后在压应力及剪应力的共同作用下,混凝土破碎而丧失承载能力。剪力墙抗剪钢筋计算主要是建立在这种破坏形态的基础上的。 (3)当剪力墙截间过小或混凝土强度等级选择不恰当时,截面剪应力过高,腹板中较早出现斜裂缝。尽管按照计算需要可以配置许多腹部钢筋,但过多的腹部钢筋并不能允分发挥作用钢筋应力较小时,混凝土就被剪压破坏。这种破坏只能用加入混凝土截面或提高混凝土等级来防止,在设计中则从限制截面的剪
19、压比体现这一要求。1、抗剪承载力计算公式 剪力墙腹板中存在竖向及水平分布钢筋,两者对抵抗斜裂缝都有作用,它们各自作用的大小与剪跨比、斜裂缝倾斜度有关。但是在设计中,通常将两者的功能分开:竖向分布筋抵抗弯矩,而水平分布筋抵抗剪力。因此斜截面抗剪承载力计算的主要目的是在已定的截面尺寸及混凝土等级下,计算水平分布筋的面积。 由试验可知,截面上存在一定的轴向压力对抗剪承载力是有利的,而轴向拉力会减小斜截面抗剪承载力。此外,在反复荷载作用下,抗剪承载力将降低,因此,考虑地震作用时应采用较低的抗剪承载力。 偏心受压及受拉斜截面抗的承载力验算公式:剪跨比由计算截面所承受的弯矩和剪力及截面高度求出:当截面受拉
20、力时,验算时不考虑混凝土作用,即:2、剪力墙截面剪压比限制 为了避免剪力墙斜压破坏,要限制剪压比,即混凝土截面平均剪应力与混凝土抗压强度比值,为此,剪力的截面尚应符合下列要求:四、悬臂剪力墙(整体墙)设计和构造 悬臂剪力墙是剪力墙中的基本形式,是只有一个墙肢的构件,其设计方法也是其他各类剪力墙设计的基础。本节将介绍墙肢构件基本的设计方法,影响墙肢延性的主要因素及提高延性的构造措施。1、破坏形态和设计要求 悬臂剪力墙可能出现弯曲、剪切和滑移(剪切滑移或施工缝滑移)等多种破坏形态,如下图所示。在正常使用及风荷载作用下,剪力墙应当处于弹性工作阶段,不出现裂缝或仅有微小裂缝。因此,抗风设计的基本方法是
21、;按弹性方法计算内力及位移、限制结构位移并按极限状态方法计算截面配筋,满足各种构造要求。 在地震作用下,先以小震作用按弹性方法计算内力及位移,进行截面设计。在中等地震作用下,剪力墙将进入塑性阶段,剪力墙应当具有延性和耗散地震能量的能力;因此,应当按照抗震等级进行剪力墙构造和截面验算,满足延性剪力墙的要求以实现中震可修、大震不倒的设计目标。 悬臂剪力墙是静定结构,只要有一个截面达到极限承载力,构件就丧失承载能力。在水平荷载作用下,剪力墙的弯矩和剪力都在基底部位最大,因而基底截面是设计的控制截面。沿高度方向,剪力墙断面尺寸改变或配筋变化的地方也是控制断面,也要进行承载力验算,包括正截面抗弯和斜截面
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