福州大学-第5章-剪力墙结构设计

第五章剪力墙结构设计第一部分结构布置概述在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011中，剪力墙又称抗震墙在《建筑结构设计术语和符号标准》GB/T50083中，剪力墙称为结构墙概述构件截面的高度（长边）大于其短边（厚度）的4倍时，宜按墙体要求进行设计墙肢截面高厚比为5～8，称为短肢墙一般的剪力墙是指墙肢截面高厚度比大于8布置要点沿结构主要轴线布置避免仅单向有墙布置要点为了减轻自重，减少地震效应，剪力墙的间距也不宜布置太密若剪力墙间距太大，则楼面设计较为复杂截面高度:为了较充分地发挥墙体钢筋的作用，墙肢截面高度不宜大于八米360040008000800066000300036000300066000800080004000360070000785078502300平面布置不宜将楼面主梁支承在剪力墙之间的连梁上宜在剪力墙与楼面主梁相交处设置扶壁柱,保证墙体在梁方向的稳定性和局部受压等因素避免设置“一”字形剪力墙竖向布置剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，形成明确的墙肢和连梁分类及受力特点分类依据：洞口系数ρ整体墙整体小开口墙联肢剪力墙壁式框架100%墙面洞口面积墙面不计洞口的总面积整体剪力墙：ρ15%受力特点：变形以弯曲型为主，如同一整体的悬臂墙。平面假定和材料力学公式仍然适用。整体小开口墙：15%≤ρ≤30%受力特点：平面假定得到的应力应加以修正，变形基本属于弯曲型。联肢剪力墙：30%≤ρ≤50%受力特点：不能用平面假定得到的整体应力加以修正的结果，变形从弯曲型向剪切型过渡。壁式框架：ρ50%受力特点：弯矩图在楼层出有突变，多数楼层会出现反弯点，梁柱节点处形成刚域，变形以剪切型为主，与框架的受力类似。按整体系数α进行分类α1：按独立墙肢计算1≤α10，且IA/I≤ξ：按联肢剪力墙计算α≥10，且IA/I≤ξ：按小开口整体墙计算α≥10，且IA/Iξ：按壁式框架计算剪力墙分析方法材料力学分析法：整体剪力墙连续化方法：双肢剪力墙壁式框架D值法：壁式框架有限元法，杆件有限元法，有限条法：各种复杂形状的剪力墙翼缘有效宽度确定方法在单向抗侧力的基本假定前提下，将纵横两方向墙体分别按平面结构计算。有效翼缘宽度与以下因素有关截面形式TΙL［剪力墙间距翼缘厚度门窗洞口宽度第二部分荷载传递与分配1、竖向荷载下的内力计算竖向荷载通过楼板或梁传递给剪力墙各榀剪力墙承受的竖向荷载可按照墙体的受荷面积计算，单独计算出各片剪力墙所承担的竖向力竖向荷载下计算截面只有弯矩和轴力，轴力为主。连梁按梁端固定或一端固定、一端铰接计算需要考虑弯矩影响时：整截面墙：即为该片墙的弯矩小开口整体墙：壁式框架内力计算：分层法计算跨度与普通框架选取不同：两壁柱间距-1/2hb085015jjjjJJM.M.MJJ2、水平荷载下的内力计算基本假定1）假定楼板在其自身平面内为无限刚性，而忽略其平面外刚度2）剪力墙在其平面内的刚度很大，而在平面外刚度很小，同样忽略剪力墙平面外刚度剪力分配根据基本假定，将空间结构平面化来处理各榀剪力墙通过刚性楼板联系在一起若结构的水平合力中心与结构的刚度中心相重合，结构不会发生扭转——各榀剪力墙在同一标高处的水平位移相等，可将总水平力按刚度分配给各榀剪力墙当有榀剪力墙时，第榀剪力墙第层分配到的剪力为——由水平荷载计算的第层总剪力——第榀剪力墙的等效抗弯刚度mijijPjVieqiEI1ieqiijPjmieqiiEIVVEI第三部分整体墙、整体小开口墙一、整体剪力墙剪力墙在立面上不开设洞口,或开设的洞口很小，即门窗等开孔面积不超过剪力墙立面面积的15％，且洞口净距及洞口至墙边的净距不大于洞口长边的尺寸，称为整体剪力墙或整截面剪力墙。1.1整体剪力墙的内力计算其变形特征，可视作一整截面悬臂构件应力计算=MyI=VSIb1.2截面惯性矩计算水平位移时，考虑洞口（面积）削弱系数取等效截面面积等效惯性矩取沿竖向加权平均11nwiiiwniiIhIh0qAA考虑剪切变形影响的等效刚度三角形荷载均布荷载顶部集中荷载23641weqww.EIII/HGA241weqwwEIII/HGA231weqwwEIII/HGA１.3顶点位移计算均布荷载倒三角形荷载顶部集中荷载3018eqVHuEI301160eqVHuEI3013eqVHuEI二、整体小开口墙洞口面积15%~30%剪力墙截面的几何参数2.1内力计算标高z处第i榀墙肢弯矩k为整体弯矩系数，对于小开口整体墙，要求其值在0.85-1.0之间。标高z处第i榀墙肢轴力标高z处第i榀墙肢剪力2piiziiVAIVAI1iizppiIIMkMkMIIiiipAyNkMI2.2细小墙肢的弯矩修正各墙肢宽度相差很大的多肢剪力墙，计算得到的弯矩应进行修正——门洞口的高度'ih''()()()2iiiihMzMzVz2.3整体小开口剪力墙等效刚度注：洞口增大使剪力墙整体的刚度减小)91(2.122.4顶点侧移计算倒三角形荷载均布荷载顶部集中荷载3018eqVHuEI301160eqVHuEI3013eqVHuEI第四部分联肢剪力墙基本假定楼盖、屋盖在自身平面内刚度为无限大，两墙肢在同一高度处的水平位移和转角相同连梁简化为沿竖向连续分布，与墙肢刚接的连续弹性薄片连梁的反弯点在连梁的中点墙肢及连梁惯性矩层高h、墙肢及连梁截面面积和惯性矩沿竖向保持不变变形1、连梁的假定处理连梁用沿高度均匀分布的连续弹性薄片代替连梁反弯点在跨中参数切开处沿竖向的变形连续条件：δ1：墙肢弯曲产生的相对位移δ2：墙肢轴向变形产生的相对位移δ3：连梁弯曲、剪切变形产生的相对位移1230δ1：墙肢弯曲产生的相对位移122mmdyccdx12mδ2：墙肢轴向变形产生的相对位移Δ2计算见6.33式δ3：连梁弯曲、剪切变形产生的相对位移333mv2、连梁折算惯性矩考虑了弯曲和剪切变形2107obbbII.h/a3、变形协调方程301211122()()()''03mbhacxxEAAEI＋4、由连梁弯曲方程可得式（6.44）：——在水平力作用下，标高z处，外荷载产生的总剪力''121[()2()]()mpVxcxEII()pVz方程整理可得2212222112221211216222oooVxcHHVHDxx(x)hsccHHHVcH进一步，可得双肢墙的基本微分方程：——称为连梁对墙肢的约束弯矩22122212221211oooxVHHxmxm(x)VHHHVHm(x)5、连梁剪力与弯矩i层连梁约束弯矩i层连梁剪力i层连梁端部弯矩i层墙肢轴力h——某层层高imm(x)h2biVm(x)h/c0bibiMVanibjjiNV6、内力计算另假定弯矩、剪力按墙肢刚度分配考虑剪切变形后的墙肢折算惯性矩02121iiiiIIEIGAh由平衡条件可得i层墙肢弯矩i层墙肢剪力11121nipijjIMMmII22121nipijjIMMmII2212oipiooIVVII1112oipiooIVVII7位移计算倒三角荷载均布荷载集中荷载eqoEIHVu36011eqoEIHVu381eqoEIHVu331相关系数轴向变形系数剪切变形系数连梁刚度系数连梁、墙肢刚度比上式中2122IIcscsiiiAGHIE/2221212AAAcAs320acIDbDIIhH)(62122104ahab双肢墙的等效刚度倒三角分布荷载均布荷载集中荷载DhscH262212aieqIEEI264.31aieqIEEI241aieqIEEI231chshchchsh232223211160chshch22221218chsh132第五部分壁式框架1、壁式框架的特点墙肢和连梁形成框架梁柱，宽梁宽柱水平荷载作用下，大部分墙肢具有反弯点，变形以剪切变形为主墙肢和连梁相交部分形成一个节点区梁柱入节点区后形成弯曲刚度无限大的刚域刚域部分没有弹性变形2、刚域尺寸梁刚域长度柱刚域长度——连梁高度——墙肢宽度1114bblah2214bblah1114cclcb2214cclcbbhcb内力计算剪切变形不可忽略梁柱相交节点处刚域存在——需要对带刚域杆件的抗侧刚度、反弯点高度作进一步修正5.1壁柱D值计算带刚域杆件线刚度计算：剪切变形影响考虑了剪切变形影响的带刚域杆件的线刚度柱梁D值计算0212'EIGAl31(1)(1)abcab31'(1)(1)abcab1(')2cckcci122kcDhbbkciD值计算122kcDh3.2考虑剪切变形后对壁柱反弯点高度的修正－柱下端刚域长度与柱总高之比；－无刚域刚域部分柱长度与柱总高之比;－标准反弯点的高度比;－上下层横梁刚度比对的修正值;－下层层高变化时的修正值;－下层层高变化时的修正值123oyasyyyy0y1y2y3yas0y'1hsabh壁式框架位移计算壁式框架的水平位移同样也包括两部分:梁柱弯曲变形产生的（剪切型）位移及柱轴向变形产生的(弯曲型)侧移。但轴向变形产生的侧移在框架结构中很小，可以略去不计。剪切型变形计算方法层间位移：ui=Vi/∑Dij顶点位移:u=∑ui第六部分剪力墙结构的分类1、按整体参数来分类221116kiikiiHDhI当时，可以忽略连梁对墙肢的约束作用，剪力墙按独立墙肢进行计算当时，连梁对墙肢的约束作用很强，剪力墙按整体小开口墙进行计算当时，可按联肢墙进行计算1011102、根据墙肢中是否出现反弯点划分墙肢出现反弯点：与墙肢惯性矩的比值、剪力墙整体参数值、结构的层数等诸多因素有关式中S查表可得/13[1]2/iiiiiAAZSNIINAI/I综合上所述，各类剪力墙划分条件为：当时，忽略连梁对墙肢的约束作用，各墙肢按独立的墙肢分别计算；当，且时，可按联肢墙计算；当，且时，可按整体小开口墙进行计算；当，且时，按壁式框架进行计算。1110AIZI10AIZI10AIZI