剪力墙设计和构造.ppt

,剪力墙是一种承受压、弯、剪共同作用的抗侧能力强的构件，它的截面设计的基本要求是：在正常使用荷载及风荷载、小地震作用下，结构应处于弹性工作阶段，裂缝宽度不能过大，这时需满足强度、变形和抗裂性等要求；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、良好的延性和一定的变形能力；在强烈地震作用（罕遇烈度）下，剪力墙不允许倒塌。,第7章 剪力墙设计和构造,剪力墙的类型（a）悬臂剪力墙；（b）开口剪力墙；（c）带边框剪力墙；（d）井筒；（e）框支剪力墙,剪力墙通常是由墙肢和连梁组成的，它在外力作用下可能出现剪切破坏，也可能出现弯曲破坏。剪力墙内的水平钢筋起着抵抗剪力的作用，而竖向钢筋通常是抵抗弯曲的。因此，剪力墙的截面设计应分别进行平面内的斜截面受剪、偏心受压或偏心受拉、平面外轴心受压承载力计算。在集中荷载作用下，墙内无暗柱时还应进行局部受压承载力计算,连梁可按受弯构件计算。,墙肢截面承载力计算悬臂剪力墙设计和构造开洞剪力墙设计和构造框架剪力墙结构设计和构造,剪力墙设计和构造,墙肢截面承载力计算,正截面抗弯承载力计算 大偏心受压承载力计算 小偏心受压承载力计算 大偏心受拉承载力计算 小偏心受拉承载力计算斜截面抗剪承载力计算,正截面抗弯承载力计算,墙肢在轴力、弯矩和剪力共同作用下属于偏心受压或偏心受拉构件，其正截面承载力计算方法与偏心受压或偏心受拉柱相同。区别在于剪力墙截面的宽度和高度相差较大，是一种片状结构，而柱截面宽度和高度比较接近；另外，剪力墙的墙肢除在端部配置竖向抗弯钢筋外，还在端部以外配置竖向和横向分布钢筋，竖向分布钢筋参与抵抗弯矩，横向分布钢筋抵抗剪力。大量试验表明，剪力墙腹部内的竖向分布钢筋起了一定的抵抗弯矩作用；受压区内的腹部分布钢筋，当墙体发生破坏时，受压应力小，为了使设计偏于安全，可以不考虑竖向分布钢筋在受压区的作用。剪力墙的计算可考虑其端部的翼缘作用，这对受力和配筋都是合理的，也比较接近墙体的实际工作情况。但是，在工程设计时，为了方便计算，剪力墙的计算可只按矩形截面来分析。,大偏心受压承载力计算图形,大偏心受压极限应力状态,基本方程（对混凝土受压区中心取矩）,对称配筋下：,设计时要求：,非对称配筋下：先假定其一再求解。对T、I同梁,大偏心受压承载力计算原理,判别式：破坏特征及计算假定：1、受压区：（截面小部分受压）端部受压筋参与受压并达到设计强度；受压区（x 范围内）的分布筋的受压作用不计；受压区（x 范围内）的混凝土参与受压并达到设计强度。2、受拉区：（截面大部分受拉）端部受拉筋参与受拉并达到设计强度；1.5x 范围以外的受拉分布筋参与受拉并达到设计强度；混凝土不参与受拉。计算步骤：给定竖向分布筋，求解端部钢筋。,小偏心受压承载力计算图形,基本方程（对As取矩）,对称配筋下：,非对称配筋下：,小偏心受压承载力计算公式,小偏心受压承载力计算原理,判别式：破坏特征及计算假定 1 受压区：（截面大部分或全部受压）端部受压筋参与受压并达到设计强度；受压区（x 范围内）的分布筋的受压作用不计；受压区（x 范围内）的混凝土参与受压并达到设计强度。2 受拉区：（截面受拉区较小或无）端部受拉筋参与受拉，但未达到设计强度；受拉分布筋不计；混凝土不参与受拉。,大偏心受拉承载力计算图形,大偏心受拉极限应力状态,大偏心受拉承载力计算原理,判别式：破坏特征及计算假定（类似于大偏心受压）1 受压区：（截面小部分受压）端部受压筋参与受压并达到设计强度；受压区（x 范围内）的分布筋的受压作用不计；受压区（x 范围内）的混凝土参与受压并达到设计强度。2 受拉区：（截面大部分受拉）端部受拉筋参与受拉并达到设计强度；1.5x 范围以外的受拉分布筋参与受拉并达到设计强度；混凝土不参与受拉。计算步骤：给定竖向分布筋，求解端部钢筋。,对混凝土受压区中心取矩,对称配筋时,小偏心受拉承载力计算,判别式：破坏特征 全截面受拉，混凝土开裂将贯通截面；一般不允许剪力墙出现这种情况。,采用对称配筋时，按下面近似公式校核其承载力,注意事项,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，在各类情况中的承载力验算公式右边都要除以承载力抗震调整系数。,斜截面抗剪承载力计算,斜裂缝出现后发生剪切破坏的三种情况：少筋破坏当无腹部钢筋或过少时，斜裂缝一旦出现，很快会形成一条主裂缝，使构件发生劈裂而丧失承载能力，为避免这类混凝土剪拉破坏的主要措施是配置必需的腹部钢筋。适筋破坏当配置有足够的腹部钢筋时，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少，最后在压应力及剪应力的共同作用下，混凝土发生破碎而丧失承载能力，剪力墙抗剪腹筋计算主要是建立在这种破坏形态的基础上。超筋破坏当剪力墙截面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充分发挥作用钢筋应力较小时，混凝土就被剪压破碎，这种破坏只能用加大混凝土截面或提高混凝土等级来防止。,斜截面抗剪承载力的特征,1、剪力墙腹板中存在竖向和水平分布筋，两者对抵抗斜裂缝都有作用。2、设计中，通常将两者的功能分开：竖向分布筋抵抗弯矩 水平分布筋抵抗剪力3、一定的轴向压力会增加截面的抗剪承载力，轴向拉力减小截面的抗剪承载力。4、反复的地震作用，会降低截面的抗剪承载力。,抗剪承载力计算公式,偏心受压斜截面抗剪承载力计算求解无地震作用组合时：有地震作用组合时：剪跨比:当截面受拉力而使公式右边第一项小于0时，取其等于0，验算时不考虑混凝土作用，取:,剪力墙截面尺寸及剪压比限制,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，剪力墙的截面尚应符合下列要求:无地震作用组合时：有地震作用组合时：剪跨比2.5时：剪跨比 时：,悬臂剪力墙设计和构造要求,一、破坏形态和设计要求,特点：是只有一个墙肢的悬臂 构件，属静定结构，出现 一个塑性铰即成为机构。破坏形态：弯曲、剪切、滑移控制截面：基底截面处（M,V 最大）变截面处（截面尺寸改变)（配筋改变处）,高墙：当剪力墙高宽比H/B3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1.5剪力墙高宽比H/B3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/B1.5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。,二、剪力墙截面配筋构造,配筋型式,配筋型式,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bw不大于500mm时，可采用双排配筋；当bw大于500mm，但不大于800mm时，宜采用三排配筋；当bw大于800mm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700mm，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。,分布钢筋最小配筋率,墙板内分布钢筋有以下两方面作用：当斜裂缝出现后能限制斜裂缝的扩展，防止混凝土开裂后发生脆性破坏，并使墙在破坏前有一定预兆，使剪压破坏有一定的延性；如因温度收缩或其他原因产生裂缝时，剪力墙仍能抵抗外荷载。加强部位：剪力墙底层及温度应力较大部位。,截面端部抗弯纵筋构造要求,1、在墙端部配置直径较大的端部钢筋。2、如计算不需要端部纵向钢筋时，也应按构造要求设置钢筋，以防出现过大的裂缝。3、高度大于50m的建筑中，剪力墙端部宜做暗柱或明柱。,纵向钢筋的切断点位置,悬臂剪力墙纵向钢筋的切断点位置（a）弯矩图；（b）理论切断点；（c）实际切断点,剪力墙洞口配筋,洞口配筋（a）门窗洞口；（b）小洞口,三、抗震延性悬臂剪力墙的设计和构造,在抗震结构中，应当设计延性剪力墙。要使悬臂剪力墙具有延性，就要（1）控制塑性铰在某个恰当的部位出现；（2）在塑性铰区防止过早出现剪切破坏（即按强剪弱弯设计），并防止过早出现锚固破坏（强锚固）；（3）在塑性铰区改善抗弯及抗剪钢筋构造，控制斜裂缝开展，充分发挥弯曲作用下抗拉钢筋的延性作用。悬臂剪力墙的塑性铰通常出现在底截面。因此，剪力墙下部hw高度范围内是塑性铰区，称为底部加强区。同时，加强范围还不宜小于墙肢总高度的1/8，也不小于底层层高。,试验研究结果,（1）剪力墙截面有无翼缘对剪力墙延性影响很大。当截面没有翼缘时，延性较差，有了翼缘和端柱后，延性大大提高。（2）剪力墙轴向力加大，截面承载力提高了，但延性明显降低。（3）总钢筋用量基本相等，但端部钢筋与分布钢筋的分配比例不同时，当端部钢筋增加，分布钢筋减少时，即可提高承载力，又可提高延性。（4）混凝土强度等级对抗弯承载力影响不大，但对延性影响很大。当混凝土等级低于C20时，延性将很小。,轴压比,剪力墙最大平均轴压比,按构造要求设置剪力墙边缘构件的最大平均轴压比,边缘构件,边缘构件设置在剪力墙的墙肢端部，是提高墙肢端部混凝土极限压应变、改善剪力墙延性的重要措施。其分类如下：1、约束边缘构件：约束边缘构件是指用箍筋约束的暗柱、端柱和翼墙，其箍筋较多，对混凝土的约束较强。在一、二级抗震设计剪力墙的底部加强部位及其上一层的墙肢端部设置。2、构造边缘构件：构造边缘的箍筋较少，对混凝土的约束较差。在一、二级抗震设计剪力墙的其他部位及三、四级抗震设计和非抗震设计剪力墙的墙肢端部设置。,约束边缘构件,约束边缘构件范围lc及其含箍特征值v,构造边缘构件,强剪切、强锚固,抗震设计时，为了体现强剪弱弯的原则，加强一、二、三级剪力墙墙肢底部加强部位的抗剪能力，避免过早出现剪切破坏，实现强剪弱弯，剪力墙底部加强部位的剪力设计值要乘以增大系数，剪力墙底部加强区范围内的剪力设计值Vw一、二、三级抗震等级时应按下式调整，四级抗震等级及无地震作用组合时可不调整。,9度抗震设计时尚应符合,墙肢施工缝的抗滑移验算,按一级抗震等级设计的剪力墙，要防止水平施工缝处发生滑移。要验算通过水平施工缝的竖向钢筋是否足以抵抗水平剪力，已配置的端部和分布竖向钢筋不够时，可设置附加插筋，附加插筋在上、下层剪力墙中都要有足够的锚固长度。规程给出的水平施工缝处的抗滑移能力验算公式如下：,延性悬臂剪力墙截面设计和构造要求要点,1、截面承载力计算2、按剪力墙轴压比的大小分三种情况3、为保证塑性铰区强剪弱弯的剪力设计值的计算4、其他配筋构造要求,开洞剪力墙设计和构造,开洞剪力墙的破坏形态和设计要求连梁截面设计和构造连梁受力与变形特点连梁截面配筋计算连梁配筋构造延性联肢墙设计“强墙弱梁”的整体设计和“强剪弱弯”的构件设计其他设计措施,开洞剪力墙的破坏形态和设计要求,破坏形态设计要求按照“强墙弱梁”原则设计开洞剪力墙，并按照“强剪弱弯”要求设计墙肢及连梁构件，可以得到较为满意的延性剪力墙结构，它比悬臂墙更为合理。如果连梁较强而形成整体墙，则要注意与悬臂墙相类似的塑性铰区的加强设计；如果连梁跨高比较大(5)，则要按照抗震结构“多道设防”的原则，考虑几个独立墙肢抵抗地震作用的情况设计墙肢。开洞剪力墙在风荷载及小地震作用下，按照弹性计算内力进行荷载组合后，再进行连梁及墙肢的截面、配筋计算。,开洞剪力墙的破坏机构,连梁截面设计和构造,连梁受力与变形,剪力墙中的连梁通常跨度较小而梁高较大，在住宅、旅馆等建筑中采用剪力墙结构时，连梁跨高比可能小于2.5，有时甚至接近1。,连梁受力与变形特点,连梁截面配筋计算,抗弯承载力验算:抗剪承载力验算:无地震作用组合时:有地震作用组合时：剪跨比2.5时：剪跨比 时：,连梁截面尺寸无地震作用组合时：有地震作用组合时：,连梁截面配筋计算,跨高比2.5时：跨高比 时：,连梁配筋构造,配筋形式连梁上下纵向受力钢筋伸入墙内的长度laE不应小于：抗震等级一、二级时，1.15la；三级时，1.05la；四级及非抗震设计时，la；并且伸入墙内长度不应小于600mm。箍筋抗震设计时，沿连梁全长箍筋的构造要求应按框架梁梁端加密区箍筋构造要求采用。非抗震设计时，箍筋直径应不小于6mm，间距不大于150mm。在顶层连梁伸入墙体的钢筋长度范围内，应配置间距不大于150mm的构造箍筋，构造箍筋直径与该连梁的箍筋直径相同。腰筋截面高度大于700mm的连梁，在梁的两侧面沿高度每隔200mm，应设置一根直径不小于10mm的纵向构造钢筋（腰筋），两排腰筋之间要设置一些拉结筋。在跨高比不大于2.5的连梁中，梁两侧的纵向分布筋的面积配筋率应不低于0.25，并可将墙肢中水平钢筋与连梁沿梁高配置的腰筋连续配置，以加强剪力墙的整体性。,配筋形式及箍筋构造要求,连梁截面配筋,开洞剪力墙配筋与锚固,框架梁梁端箍筋加密区钢箍构造要求,“强墙弱梁”的整体设计,强墙弱梁降低连梁弯矩的方法刚度调幅在进行弹性内力分析时，适当降低连梁刚度。将连梁刚度乘以折减系数；或直接采用连梁的开裂刚度等。弯矩调幅用弹性分析所得的内力进行内力调幅，按调幅以后的弯矩设计连梁配筋。一般是将中部弯矩最大的一些连梁的弯矩调小，调幅（比弹性计算降低）大约在20以内；中部连梁的弯矩设计值降低以后，其余部位的连梁和墙肢弯矩设计值应相应的提高，以维持静力平衡。,连梁弯矩调幅,“强剪弱弯”的构件设计,连梁的剪力设计值应按下列规定计算无地震作用组合时，以及有地震作用组合的四级抗震时，取考虑水平荷载组合的剪力设计值。有地震作用组合的一、二、三级抗震时，连梁剪力设计值应按下式进行调整：9度设防时尚应符合：,其他设计措施,连梁采用扁梁 当连梁截面尺寸不能满足抗剪承载力验算的公式和剪压比的限值时连梁采用交叉配筋采用开缝连梁采用多道设防方法,连梁采用交叉配筋,采用开缝连梁,开缝梁和双功能连梁,采用多道设防方法,在某些情况下，当连梁的延性不能保证时，或需要考虑在强震下结构的安全时，可采用另一种设计方法，即考虑连梁破坏后退出工作，按照单独墙肢工作，使墙肢处于弹性工作状态，以保证结构的安全。这种所谓“多道设防”的设计思想曾在马那瓜的美洲银行设计中运用，取得了很好的效果。,框架剪力墙结构设计和构造,1、框架剪力墙结构中剪力墙的合理数量 1）参考国内实际工程中的剪力墙数量 2）剪力墙的数量按许可位移值确定 3）用结构自振周期和地震作用的大小来衡量结构的侧向刚度2、框架剪力墙结构中剪力墙的布置和间距“均匀、分散、对称、周边”宜布置在：竖向荷载较大处、平面形状变化较大的角隅部位、建筑物端部附近、楼梯电梯间,剪力墙结构的布置要求,1、双向布置剪力墙及抗侧刚度,高层建筑剪力墙结构应有较好的空间工作性能。为此，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜分别联结在一起，以形成空间结构；并宜使两个方向抗侧刚度接近，即两个方向的自振周期宜相近。另一方面，剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，墙布置太密，会使地震力加大，自重加大，并不有利。,2、竖向刚度宜均匀 剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，高层建筑混凝土结构技术规程要求剪力墙自上到下连续布置。允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度沿高度逐渐减小。,3、墙肢高宽比 在地震区，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，而低矮墙（H/B1.5）属剪切脆性破坏，抗震性能差，为此宜将剪力墙设计成高宽比H/B较大的墙）。高层建筑混凝土结构技术规程规定，当剪力墙较长时，将其分成长度较为均匀的若干墙段，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），每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，且墙肢截面高度不宜大于8m。,4、剪力墙洞口的布置 剪力墙洞口的布置会极大地影响剪力墙的力学性能。为此规定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，使其应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。错洞剪力墙和叠合错洞墙都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布比较复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际应力。,剪力墙不规则开洞及配筋构造,5、短肢剪力墙的设计,概念：墙肢的截面高度与厚度之比5-8。应用范围：用于小高层住宅，减少暴柱露梁 抗震性能较差，地震区慎用 高层建筑不应全部为短肢剪力墙结构 短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力作用,加强措施：1）限制短肢墙的数量，短肢剪力墙部分承担的地震倾覆力矩不应大于整体倾覆力矩的50%2）短肢墙的抗震等级应提高一级，以改善其延性 3）控制短肢墙的轴压比，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 4）短肢剪力墙的剪力设计值应放大(1.2,1.4,1.6)5）纵筋配筋率较大(1.2%,1.0%)6）墙厚不小于200mm 7）短肢墙宜带翼缘，一字型短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁小于5的短肢墙（异形柱）要求更高。,7、梁的布置与剪力墙平面外弯矩的关系 剪力墙的特点是平面内刚度和承载力大，而平面外刚度和承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时，会造成墙肢平面外弯矩，而一般情况下并不验算墙的平面外的刚度和承载力。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，且梁截面高度大于墙厚时，可采用以下措施减小梁端部弯矩对墙的不利影响：,