剪力墻受力及特點(diǎn)

1、剪力墻類型及受力特點(diǎn)剪力墻結(jié)構(gòu)是由一系列縱向、橫向剪力墻及樓蓋所組成的空間結(jié)構(gòu)，承受豎向荷載和水平荷載，是高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式。由于縱、橫向剪力墻在其自身平面內(nèi)的剛度都很大，在水平荷載作用下，側(cè)移較小，因此這種結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)性能都較強(qiáng)，承載力要求也比較容易滿足，適宜于建造層數(shù)較多的高層建筑。剪力墻主要承受兩類荷載：一類是豎向荷載，樓板傳來(lái)的豎向荷載，在地震區(qū)還應(yīng)包括豎向地震作用的影響；另一類是水平荷載，包括水平風(fēng)荷載和水平地震作用。剪力墻的內(nèi)力分析包括豎向荷載作用下的內(nèi)力分析和水平荷載作用下的內(nèi)力分析。在豎向荷載作用下，各片剪力墻所受的內(nèi)力比較簡(jiǎn)單，可按照材料力學(xué)原理進(jìn)行。在水平荷載作用下

2、，剪力墻的內(nèi)力和位移計(jì)算都比較復(fù)雜，因此本節(jié)著重討論剪力墻在水平荷載作用下的內(nèi)力及位移計(jì)算。一、剪力墻的分類及受力特點(diǎn) 為滿足使用要求，剪力墻常開(kāi)有門(mén)窗洞口。理論分析和試驗(yàn)研究表明：剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻上的開(kāi)洞情況，洞口是否存在，洞口的大小、形狀及位置的不同都將影響剪力墻的受力性能。剪力墻按受力特性的不同主要可分為整體剪力墻、小開(kāi)口整體剪力墻、雙肢墻（多肢墻）和壁式框架等幾種類型。不同類型的剪力墻，其相應(yīng)的受力特點(diǎn)、計(jì)算簡(jiǎn)圖和計(jì)算方法也不相同，計(jì)算其內(nèi)力和位移時(shí)則需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。1.整體剪力墻無(wú)洞口的剪力墻或剪力墻上開(kāi)有一定數(shù)量的洞口，但洞口的面積不超過(guò)墻體面積的1

3、5%，且洞口至墻邊的凈距及洞口之間的凈距大于洞孔長(zhǎng)邊尺寸時(shí)，可以忽略洞口對(duì)墻體的影響，這種墻體稱為整體剪力墻（或稱為懸臂剪力墻）。整體剪力墻的受力狀態(tài)如同豎向懸臂梁，截面變形后仍符合平面假定，因而截面應(yīng)力可按材料力學(xué)公式計(jì)算，變形屬?gòu)澢汀?.小開(kāi)口整體剪力墻當(dāng)剪力墻上所開(kāi)洞口面積稍大且超過(guò)墻體面積的15%時(shí)，通過(guò)洞口的正應(yīng)力分布已不再成一直線，而是在洞口兩側(cè)的部分橫截面上，其正應(yīng)力分布各成一直線。這說(shuō)明除了整個(gè)墻截面產(chǎn)生整體彎矩外，每個(gè)墻肢還出現(xiàn)局部彎矩，因?yàn)閷?shí)際正應(yīng)力分布，相當(dāng)于在沿整個(gè)截面直線分布的應(yīng)力之上疊加局部彎矩應(yīng)力。但由于洞口還不很大，局部彎矩不超過(guò)水平荷載的懸臂彎矩的15。因此

4、，可以認(rèn)為剪力墻截面變形大體上仍符合平面假定，且大部分樓層上墻肢沒(méi)有反彎點(diǎn)。內(nèi)力和變形仍按材料力學(xué)計(jì)算，然后適當(dāng)修正。 在水平荷載作用下，這類剪力墻截面上的正應(yīng)力分布略偏離了直線分布的規(guī)律，變成了相當(dāng)于在整體墻彎曲時(shí)的直線分布應(yīng)力之上疊加了墻肢局部彎曲應(yīng)力，當(dāng)墻肢中的局部彎矩不超過(guò)墻體整體彎矩的15%時(shí)，其截面變形仍接近于整體截面剪力墻，這種剪力墻稱之為小開(kāi)口整體剪力墻。 3.聯(lián)肢剪力墻洞口開(kāi)得比較大，截面的整體性已經(jīng)破壞，橫截面上正應(yīng)力的分布遠(yuǎn)不是遵循沿一根直線的規(guī)律。但墻肢的線剛度比同列兩孔間所形成的連梁的線剛度大得多，每根連梁中部有反彎點(diǎn)，各墻肢單獨(dú)彎曲作用較為顯著，但僅在個(gè)別或少數(shù)層內(nèi)

5、，墻肢出現(xiàn)反彎點(diǎn)。這種剪力墻可視為由連梁把墻肢聯(lián)結(jié)起來(lái)的結(jié)構(gòu)體系，故稱為聯(lián)肢剪力墻。其中，僅由一列連梁把兩個(gè)墻肢聯(lián)結(jié)起來(lái)的稱為雙肢剪力墻；由兩列以上的連梁把三個(gè)以上的墻肢聯(lián)結(jié)起來(lái)的稱為多肢剪力墻。 當(dāng)剪力墻沿豎向開(kāi)有一列或多列較大的洞口時(shí)，由于洞口較大，剪力墻截面的整體性已被破壞，剪力墻的截面變形已不再符合平截面假設(shè)。這時(shí)剪力墻成為由一系列連梁約束的墻肢所組成的聯(lián)肢墻。開(kāi)有一列洞口的聯(lián)肢墻稱為雙肢墻，當(dāng)開(kāi)有多列洞口時(shí)稱之為多肢墻。4壁式框架洞口開(kāi)得比聯(lián)肢剪力墻更寬，墻肢寬度較小，墻肢與連梁剛度接近時(shí)，墻肢明顯出現(xiàn)局部彎矩，在許多樓層內(nèi)有反彎點(diǎn)。剪力墻的內(nèi)力分布接近框架，故稱壁式框架。壁式框架實(shí)

6、質(zhì)是介于剪力墻和框架之間的一種過(guò)渡形式，它的變形已很接近剪切型。只不過(guò)壁柱和壁梁都較寬，因而在梁柱交接區(qū)形成不產(chǎn)生變形的剛域。當(dāng)剪力墻的洞口尺寸較大，墻肢寬度較小，連梁的線剛度接近于墻肢的線剛度時(shí)，剪力墻的受力性能已接近于框架，這種剪力墻稱為壁式框架。二、各類剪力墻內(nèi)力與位移計(jì)算要點(diǎn)剪力墻結(jié)構(gòu)隨著類型和開(kāi)洞大小的不同，計(jì)算方法和計(jì)算簡(jiǎn)圖也不同。整體墻和小開(kāi)口整體墻的計(jì)算簡(jiǎn)圖基本上是單根豎向懸臂桿，計(jì)算方法按材料力學(xué)公式（對(duì)整體墻不修正，對(duì)小開(kāi)口整體墻修正）計(jì)算。其他類型剪力墻，其計(jì)算簡(jiǎn)圖均無(wú)法用單根豎向懸臂桿代表，而應(yīng)按能反映其性態(tài)的結(jié)構(gòu)體系計(jì)算。 1整體剪力墻 對(duì)于整體剪力墻，在水平荷載作用

7、下，根據(jù)其變形特征（截面變形后仍符合平面假定）可視為一整體的懸臂彎曲桿件，用材料力學(xué)中懸臂梁的內(nèi)力和變形的基本公式進(jìn)行計(jì)算。(1)內(nèi)力計(jì)算 整體墻的內(nèi)力可按上端自由，下端固定的懸臂構(gòu)件，用材料力學(xué)公式，計(jì)算其任意截面的彎矩和剪力?？偹胶奢d可以按各片剪力墻的等效抗彎剛度分配，然后進(jìn)行單片剪力墻的計(jì)算。剪力墻的等效抗彎剛度（或叫等效慣性矩）就是將墻的彎曲、剪切和軸向變形之后的頂點(diǎn)位移，按頂點(diǎn)位移相等的原則，折算成一個(gè)只考慮彎曲變形的等效豎向懸臂桿的剛度。(2)位移計(jì)算 整體墻的位移，如墻頂端處的側(cè)向位移，同樣可以用材料力學(xué)的公式計(jì)算，但由于剪力墻的截面高度較大，故應(yīng)考慮剪切變形對(duì)位移的影響。當(dāng)開(kāi)

8、洞時(shí)，還應(yīng)考慮洞口對(duì)位移增大的影響。 2.小開(kāi)口整體剪力墻 小開(kāi)口墻是指門(mén)窗洞口沿豎向成列布置，洞口的總面積雖超過(guò)墻總面積的15，但仍屬于洞口很小的開(kāi)孔剪力墻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小開(kāi)口剪力墻在水平荷載作用下的受力性能接近整體剪力墻，其截面在受力后基本保持平面，正應(yīng)力分布圖形也大體保持直線分布，各墻肢中僅有少量的局部彎矩；沿墻肢高度方向，大部分樓層中的墻肢沒(méi)有反彎點(diǎn)。在整體上，剪力墻仍類似于豎向懸臂桿件。就為利用材料力學(xué)公式計(jì)算內(nèi)力和側(cè)移提供了前提，再考慮局部彎曲應(yīng)力的影響，進(jìn)行修正，則可解決小開(kāi)口剪力墻的內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算。 首先將整個(gè)小開(kāi)口剪力墻作為一個(gè)懸臂桿件，按材料力學(xué)公式算出標(biāo)高處的總彎矩、總

9、剪力和基底剪力。其次，將總彎矩分為兩部分：1）產(chǎn)生整體彎曲的總彎矩（占總彎矩的85），2）產(chǎn)生局部彎曲的總彎矩（占15）。 （1）墻肢彎矩計(jì)算 第i墻肢受到的整體彎曲的彎矩為:         （1） 式中  墻肢i的慣性矩；    J剪力墻整個(gè)截面的慣性矩 （2）墻肢剪力計(jì)算 墻肢剪力，底層按墻肢截面面積分配；其余各層墻肢剪力，可按材料力學(xué)公式計(jì)算截面面積和慣性矩比例的平均值分配剪力，第i墻肢分配到的剪力可近似地表達(dá)為：        

10、0;（2） 式中，為墻肢截面面積。 （3）頂點(diǎn)位移計(jì)算 考慮到開(kāi)孔后剛度的削弱，應(yīng)將整體墻的水平位移計(jì)算結(jié)果乘1.20。3雙肢剪力墻 聯(lián)肢墻由于門(mén)窗洞口尺寸較大，墻截面上的正應(yīng)力不再成直線分布，其受力和變形發(fā)生了變化，墻肢的線剛度比連梁的線剛度大得多，每根連梁中部有反彎點(diǎn)，各墻肢單獨(dú)彎曲作用較顯著，僅在少數(shù)層內(nèi)墻肢出現(xiàn)反彎點(diǎn)，故需采用相應(yīng)方法分析。 墻面上開(kāi)有一排洞口的墻稱雙肢墻；當(dāng)開(kāi)有多排洞口時(shí)，稱多肢墻。 雙肢墻由于連系梁的連結(jié)，而使雙肢墻結(jié)構(gòu)在內(nèi)力分析時(shí)成為一個(gè)高次超靜定的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般可用解微分方程的辦法（連續(xù)連桿法）計(jì)算。l （1）基本假定 a）將每一樓層處的連系梁簡(jiǎn)化為均

11、勻連續(xù)分布的連桿，見(jiàn)圖4； b）忽略連系梁的軸向變形，即假定兩墻肢在同一標(biāo)高處的水平位移相等； c）假定兩墻肢在同一標(biāo)高處的轉(zhuǎn)角和曲率相等，即變形曲線相同； d）假定各連系梁的反彎點(diǎn)在該連系梁的中點(diǎn)； f）認(rèn)為雙肢墻的層高h(yuǎn)、慣性矩、；截面積、；連系梁的截面積和慣性矩等參數(shù)，沿墻高度方向均為常數(shù)。 根據(jù)以上假定，可得雙肢墻的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖4（b）所示。l （2）內(nèi)力及側(cè)移計(jì)算 將連續(xù)化后的連續(xù)梁沿中線切開(kāi)，見(jiàn)圖4（c），由于跨中為反彎點(diǎn)，故切開(kāi)后在截面上只有剪力集度V（z）及軸力集度。根據(jù)外荷載、V（z）及共同作用下，沿V（z）方向的相對(duì)位移等于零的變形協(xié)調(diào)條件，可建立一個(gè)二階常系數(shù)非齊次線性

12、微分方程，考慮邊界條件后，可求得微分方程的解，進(jìn)而可求得雙肢剪力墻在水平荷載作用下的內(nèi)力和側(cè)移。 4多肢剪力墻 具有多于一排且排列整齊的洞口時(shí)，就成為多肢剪力墻。多肢墻也可以采用連續(xù)連桿法求解，基本假定和基本體系取法都和雙肢墻類似。由于墻肢及洞口數(shù)目比雙肢墻多，因此沿豎向切口的基本未知量將相應(yīng)增多。在每個(gè)連梁切口處建立一個(gè)變形協(xié)調(diào)方程，則可建立k個(gè)微分方程。要注意，在建立第i個(gè)切口處協(xié)調(diào)方程時(shí)，除了i跨連梁內(nèi)力影響外，還要考慮第i-1跨連梁內(nèi)力和第i+1跨連梁內(nèi)力對(duì)i墻肢的影響，這是與雙肢剪力墻的一個(gè)明顯區(qū)別。l 三、剪力墻的分類判別式 以上討論了按整體計(jì)算的剪力墻、小開(kāi)口整體剪力墻、雙肢墻、

13、多肢墻等四種類型的剪力墻。 整體剪力墻如一根懸臂桿件，在墻肢整個(gè)高度方向上，彎矩圖既不發(fā)生突變又不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，變形曲線以彎曲型為主；小開(kāi)口墻與雙、多肢剪力墻，在連梁高度處的墻肢彎矩有突變，但在整個(gè)墻肢的高度方向上，它沒(méi)有或僅僅在個(gè)別樓層才出現(xiàn)反彎點(diǎn)，剪力墻的變形曲線依然以彎曲型為主。 各類剪力墻因外形和洞口大小的不同，受力特點(diǎn)也不同，不但在墻肢截面上的正應(yīng)力分布有區(qū)別，而且沿墻肢高度方向上彎矩的變化規(guī)律也不同，見(jiàn)圖5。從圖5（c）、（d）、（e）中可看出，這類剪力墻在連系梁處有彎矩突變。其主要原因是因?yàn)檫B系梁對(duì)墻肢有約束作用，發(fā)生突變的彎矩值的大小，主要取決于連系梁剛度與墻肢剛度的比值。當(dāng)剪力墻上的門(mén)窗洞口很大，連系梁的剛度很小而墻肢的剛度又相對(duì)較大時(shí)，連系梁對(duì)墻肢的約束作用很小，連系梁猶如鉸接于墻肢的一個(gè)連桿，每一個(gè)墻肢相當(dāng)于一個(gè)單肢的剪力墻，水平荷載全部由這些單肢墻承擔(dān)，墻肢截面中正應(yīng)力呈線性分布，軸力為零，見(jiàn)圖5（b）。反之，當(dāng)剪力墻上的洞口很小，連系梁對(duì)墻肢的約束作用很強(qiáng)時(shí)，整個(gè)剪力墻的整體性很好，例如小開(kāi)口整體墻（5（c），在整個(gè)剪力墻的截面中，正應(yīng)力