高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計第六講

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計第六講 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元和承重單體均由剪力墻（R.C墻）組成的空間結(jié)構(gòu)體系稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點及 結(jié)構(gòu)組成： 豎向：縱、橫墻 體系 （豎向分體系） 水平：樓蓋 體系（水平分體系） 承受荷載： 豎向：恒載、使用活載、豎向地震 作用 水平：水平地震作用、風(fēng)荷載一般將其簡化為平面結(jié)構(gòu)，假定剪力墻在自身平面內(nèi)受力，在側(cè)向荷載作用下處于二維應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用平面有限元方法計算，但大都將其簡化為桿系采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法作近似計算。1.平面布置 在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，并宜使兩個方向剛度接近，形成空間結(jié)構(gòu)。 由于剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度及承載力均較大，對于

2、一般高層建筑結(jié)構(gòu)，為充分利用剪力墻的剛度及承載力，減輕結(jié)構(gòu)重量、增大室內(nèi)空間，在保證結(jié)構(gòu)剛度足夠的前提下，剪力墻不必布置過密，可將適當(dāng)部位的室內(nèi)分隔墻采用樓面梁及輕質(zhì)填充墻來擴大剪力墻間距（見下圖），或采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。 所謂短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm，墻肢截面高度與厚度之比為58的剪力墻，常規(guī)的剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻。樓面梁及填充墻取代剪力墻示意 6.1剪力墻的結(jié)構(gòu)布置及有關(guān)規(guī)定 一、結(jié)構(gòu)布置 混凝土異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ149-2006第條規(guī)定：截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱為異型柱。 當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向

3、的樓面梁連接時，應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩。 剪力墻的特點是平面內(nèi)剛度及承載力大，而平面外剛度及承載力都相對很小，一般情況下并不考慮墻的平面外的剛度及承載力。當(dāng)梁高較大（大于2倍墻厚）時，梁端彎矩對墻平面外的安全不利，因此應(yīng)當(dāng)采取以下措施中的一個措施，減小梁端部彎矩對墻的不利影響：（1）沿梁軸線方向設(shè)置與梁相連的剪力墻，抵抗該墻肢平面外彎矩； （2）當(dāng)不能設(shè)置與梁軸線方向相連的剪力墻時，宜在墻與梁相交處設(shè)置扶壁柱。扶壁柱宜按計算確定截面及配筋； （3）當(dāng)不能設(shè)置扶壁柱時，應(yīng)在墻與梁相交處設(shè)置暗柱，并宜按計算確定配筋； （4）必要時，剪力墻內(nèi)可設(shè)置型鋼。 另外，對截面較小的樓面梁可設(shè)計為鉸接或半剛

4、接，減小墻肢平面外彎矩。鉸接端或半剛接端可通過彎矩調(diào)幅或梁變截面來實現(xiàn)，此時應(yīng)相應(yīng)加大梁跨中彎矩。2.豎向布置 剪力墻宜自下到上連續(xù)布置，避免剛度突變。 剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有延性，細高的剪力墻易于設(shè)計成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。因此，對于較長的剪力墻，宜開設(shè)洞口將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁（其跨高比宜大于6）連接，使其可近似認為分成了獨立墻段，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不宜小于3。 為了使墻體中的配筋能夠較充分發(fā)揮作用，墻段的長度（即墻肢截面高度）不宜大于8m。例如：剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁。 當(dāng)無法避免，必

5、須采用疊合錯洞墻時，可采用其他輕質(zhì)材料填充，將疊合錯洞轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口；或采用有限元法進行細致分析并在洞口周邊采取加強措施。 圖中陰影部分為填充墻。 當(dāng)必須采用錯洞墻時，墻洞口錯開距離不宜小于2m，使洞口之間形成明確的墻肢。二、剪力墻上開洞的有關(guān)規(guī)定三、剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強部位 剪力墻結(jié)構(gòu)的塑性鉸一般在底部，抗震設(shè)計時，為保證出現(xiàn)塑性鉸后剪力墻具有足夠的延性，應(yīng)對剪力墻底部進行加強。 一般剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10和底部兩層二者的較大值。 四、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定 由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多，為安全起見，高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。短

6、肢剪力墻較多時，應(yīng)布置筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)，并應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）其最大適用高度應(yīng)比A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度中剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定值適當(dāng)降低，且7度和8度抗震設(shè)計時分別不應(yīng)大于100m和60m； （2）抗震設(shè)計時，筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50； （3）抗震設(shè)計時，短肢剪力墻的抗震等級應(yīng)比A級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級規(guī)定的剪力墻的抗震等級提高一級采用； 為保證剪力墻出平面的剛度及穩(wěn)定，要求： 按一、二級抗震等級設(shè)計的剪力墻厚度 層高，且160；對于底部加強部位應(yīng)

7、層高，且200。 按三、四級抗震等級設(shè)計的剪力墻厚度 層高，且160；對于底部加強部位應(yīng) 層高，且160。 非抗震設(shè)計的剪力墻厚度 層高，且160。 層高：一般指樓層高。對共享空間無樓板處的層高，指共享空間的高度，此時應(yīng)與橫向約束長度比較，取小值。 當(dāng)墻厚不滿足上述要求時，可由 驗算墻體的穩(wěn)定。式中q為作用于墻頂?shù)牡刃Ь钾Q向荷載設(shè)計值；t為剪力墻墻肢截面厚度，l0為墻肢的計算高度。(注：此式還可用來幫助設(shè)計者檢驗預(yù)先給定的剪力墻厚度是否滿足出平面穩(wěn)定的要求。)6.2 剪力墻的最小厚度及混凝土強度等級一、剪力墻的最小厚度 6.3 剪力墻的內(nèi)力及側(cè)移計算一、豎向荷載作用下的內(nèi)力計算要點 在豎向荷

8、載作用下，剪力墻各墻肢產(chǎn)生軸向壓力。 任意一片剪力墻的軸向壓力NV可按樓面?zhèn)鞯皆搲ι系暮奢d以及墻體自重計算；或按豎向荷載引起的墻面上的平均壓應(yīng)力 乘以所要計算的剪力墻截面積計算。 二、水平荷載作用下的內(nèi)力及側(cè)移計算 1.基本假定：（1）各片剪力墻在自身平面外的剛度（與平面內(nèi)的剛度相比）很小，可忽略不計；（2）樓板在自身平面內(nèi)的剛度無窮大。二、混凝土強度等級 剪力墻結(jié)構(gòu)混凝土強度等級不應(yīng)低于C20；帶有筒體和短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C25。翼緣計算寬度，每側(cè)取取小值根據(jù)假定（1）可將空間體系的剪力墻結(jié)構(gòu)簡化為平面體系。 根據(jù)假定（2），若僅考慮平動不考慮扭轉(zhuǎn)，可將整個房屋的

9、水平荷載按各片剪力墻的等效剛度分配給各片剪力墻，然后按單片剪力墻進行內(nèi)力及位移計算。 等效剛度：是按頂點位移相等的原則，考慮彎曲變形和剪切變形后，折算成一個豎向懸臂受彎構(gòu)件的抗彎剛度。2.單片剪力墻的受力特點及剪力墻分類 在水平荷載作用下，剪力墻的受力特點與墻上洞口大小有直接關(guān)系，根據(jù)洞口大小的不同，可將剪力墻分為四種不同類型：（1）整體墻（2）小開口墻（3）聯(lián)肢墻（4）壁式框架（1）整體墻（包括小洞口整體墻），其受力狀態(tài)如同豎向懸臂梁，截面上法向應(yīng)力是線性分布的。（2）小開口墻（即圖中洞口稍大的剪力墻），截面上的法向應(yīng)力偏離直線分布。 應(yīng)力分布相當(dāng)于整體彎曲引起的直線分布和局部彎曲應(yīng)力的疊加

10、，實測表明，墻肢的局部彎矩不超過總彎矩的15%，且墻肢基本無反彎點。 （3）聯(lián)肢墻（即洞口進一步加大的情況），連梁的剛度比墻肢的剛度小得多，連梁中部有反彎點，可看成是若干單肢剪力墻由連梁連接而成的剪力墻。（4）壁式框架（洞口較大、墻肢截面較小的情況），墻肢和連梁剛度相差不多，多數(shù)墻肢有反彎點，出現(xiàn)明顯的局部彎曲，受力特征接近于框架。 在剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般外縱墻為壁式框架，山墻為小開口墻或整體墻，內(nèi)墻為聯(lián)肢墻或小開口墻。3.剪力墻類型判別（1）整體墻判別條件（包括小洞口整體墻） 洞口（立面）面積15%墻面（立面）面積，且凈距（洞口之間、孔洞至墻邊）孔洞長邊。 （2）小開口墻判別條件 當(dāng)剪力墻由成

11、列洞口劃分為若干墻肢，各墻肢和連梁剛度比較均勻，并滿足下式時，可按小開口墻計算。式中 （當(dāng) 時，說明連梁剛度較大。）對于只有一列洞口的墻：剪力墻對組合截面形心的慣性矩；連梁的折算慣性矩；連梁的截面慣性矩；分別為墻肢1、2的截面慣性矩；扣除墻肢慣性矩后剪力墻的慣性矩，連梁的截面面積；截面形狀系數(shù)，矩形截面=1.2；洞口兩側(cè)墻肢截面形心距離；剪力墻總高度；連梁的計算跨度，取洞口寬度加梁高的一半。層高；式中其中具有多列洞口墻的 算式詳見教材公式6.2。（3）聯(lián)肢墻判別條件（4）壁式框架判別條件系數(shù)。4.內(nèi)力及側(cè)移計算（1）整體墻（包括小洞口整體墻）計算 1）整體墻內(nèi)力 此時剪力墻截面上的法向應(yīng)力仍然

12、保持直線分布，因此整體墻的內(nèi)力可按豎向受彎構(gòu)件計算各截面的彎矩及剪力。2）整體墻的頂點位移 上式是由位移計算的一般公式（單位荷載法）得到的。第一項為彎曲變形的影響，第二項為剪切變形的影響。如果不考慮剪切變形的影響，則與一般受彎構(gòu)件的位移計算公式完全相同了。整體墻的頂點位移剪力墻的等效剛度 等效剛度：是按頂點位移相等的原則，考慮彎曲變形和剪切變形后，折算成一個豎向懸臂受彎構(gòu)件的抗彎剛度。剪力墻的等效剛度式中：3）層間相對位移剪力墻結(jié)構(gòu)的層間相對位移最大值一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)的頂層，其算式為式中均布荷載倒三角形荷載頂點集中力取G=0.4E，并進一步簡化可得 的統(tǒng)一算式：（2）小開口墻計算( ， )1）內(nèi)

13、力（以一列洞口為例）根據(jù)圖（a）與圖（b）邊緣應(yīng)力相等的條件，有由此可得同理可得局部彎矩在各墻肢的分配可近似按下式確定各墻肢承受的總彎矩為 連梁的剪力：可由上下墻肢的軸力差求得。 2）小開口墻的頂點位移、層間最大位移，可按整體墻位移公式計算，但在公式中的等效剛度 應(yīng)考慮洞口的影響。式中 多列洞口的小開口墻內(nèi)力計算公式各墻肢的剪力可近似按下式計算（即分別按墻肢面積和慣性矩分配后取平均值）求圖示剪力墻底部墻肢的內(nèi)力（M、N、V）。解：1.判別剪力墻類型整體墻判別條件（包括小洞口整體墻） 洞口（立面）面積15%墻面（立面）面積，且凈距（洞口之間、孔洞至墻邊）孔洞長邊。小開口墻判別條件屬于小開口墻小開

14、口墻判別條件 連梁的剪力：可由上下墻肢的軸力差求得。 小開口墻內(nèi)力計算公式2.內(nèi)力計算2.內(nèi)力計算（3）聯(lián)肢墻的內(nèi)力及側(cè)移計算（ ）1）基本假定沿豎向墻的剛度、層高基本不變（如實際有變化，取加權(quán)平均值）；連梁的作用可用沿高度均勻分布的連續(xù)彈性薄片來代替，反彎點在梁跨中；各墻肢的彎曲變形曲線相似，即在同一高度處各墻肢有相同的位移和轉(zhuǎn)角。聯(lián)肢墻聯(lián)肢墻的計算簡圖根據(jù)上述假定，可得聯(lián)肢墻的計算簡圖： 通過切口處的變形連續(xù)條件可建立未知數(shù)為q(x)的微分方程，具體推導(dǎo)過程從略。2）聯(lián)肢墻計算公式聯(lián)肢墻的微分方程：聯(lián)肢墻幾何特征及基本參數(shù)聯(lián)肢墻層間相對位移可近似按下式計算，也可由變形曲線函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)求得

15、。（均布荷載）（倒三角形分布荷載）（頂點集中荷載）（4）壁式框架計算 （ ）1）計算簡圖 即連梁和墻肢的形心線，但應(yīng)考慮節(jié)點剛域的影響，且梁柱的剪切變形不能忽略。 剛域:由于梁柱結(jié)合區(qū)的變形很小，內(nèi)力分析時可按剛性考慮。剛域的尺寸可按下式確定：2)帶剛域桿的等效線剛度3）內(nèi)力及位移計算(壁式框架的內(nèi)力及位移可采用D值法。)4)相應(yīng)的，圖（b）梁線剛度也為應(yīng)為圖（a）梁線剛度的s倍。另外，圖（b）柱的線剛度應(yīng)按柱高為 確定，即由圖（b）可得標(biāo)準(zhǔn)反彎點高度比為什么變成在確定 時，為什么平均梁柱剛度比說明：6.4 截面設(shè)計要點及構(gòu)造要求一、截面設(shè)計墻肢正截面承載力斜截面承載力連梁正截面承載力斜截面承

16、載力（1）墻肢的配筋形式1.墻肢（2）墻肢正截面承載力 1）偏心受壓 破壞特征與一般偏壓構(gòu)件相同，其特殊性在于剪力墻中除配有端部受力鋼筋之外，在腹板中還設(shè)有豎向分布鋼筋A(yù)sv，見下圖： 因此，應(yīng)在公式中體現(xiàn)Asv的作用。 大偏壓墻肢：由于在中和軸附近的豎向分布鋼筋達不到屈服，故在計算中僅考慮1.5x范圍外的受拉豎向分布鋼筋的作用，其他豎向分布鋼筋的作用則忽略不計，所以在大偏壓墻肢計算公式中比一般大偏壓構(gòu)件公式在投影方程中多了一項拉力在取矩方程中多了一項彎矩 無論是矩形還是工字型截面大偏壓墻肢，只要在一般大偏壓構(gòu)件的基本公式中加上上述兩項，就成為相應(yīng)的大偏壓墻肢計算公式。加上上述兩項之后，并不增

17、加公式中的未知數(shù)，兩個公式，兩個未知數(shù)（x, As），在公式適用條件范圍內(nèi)有唯一解。 小偏壓墻肢：由于壓區(qū)混凝土受壓承載力已經(jīng)足夠，故不考慮豎向分布鋼筋的作用，計算公式與一般小偏壓構(gòu)件計算公式完全相同。 當(dāng)有地震作用時，應(yīng)考慮承載力調(diào)整系數(shù)RE=0.85。2）偏心受拉 高規(guī)建議：對于對稱配筋的偏拉墻肢，無論大小偏拉，均按下列近似公式計算正截面承載力。（3）關(guān)于墻肢內(nèi)力設(shè)計值調(diào)整 1）彎矩設(shè)計值調(diào)整一級抗震等級的剪力墻各截面彎矩設(shè)計值： 底部加強部位及其上一層應(yīng)按墻底截面組合彎矩計算值采用； 其他部位可按墻肢組合彎矩計算值的1.2倍采用。 2）剪力設(shè)計值調(diào)整 剪力墻底部加強部位墻肢截面的剪力設(shè)計

18、值，一、二、三級抗震等級時應(yīng)按下式調(diào)整。 式中 考慮地震作用組合的剪力墻墻肢底部加強部位截面的剪力計算值；剪力增大系數(shù)，一級為1.6，二級為1.4，三級為1.2。墻肢斜截面承載力與普通構(gòu)件計算公式不同，詳見教材或高規(guī)，此處從略。四級抗震等級及無地震作用組合時可不調(diào)整3）墻肢出現(xiàn)偏心受拉時的調(diào)整 墻肢出現(xiàn)大偏心受拉時，墻肢易出現(xiàn)裂縫，使其剛度降低，內(nèi)力將在墻肢中重分配，因此，抗震設(shè)計的雙肢剪力墻中，當(dāng)任一墻肢出現(xiàn)大偏心受拉時，另一墻肢的彎矩設(shè)計值及剪力設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.25。 如果雙肢剪力墻中一個墻肢出現(xiàn)小偏心受拉，該墻肢可能會出現(xiàn)水平通縫而失去抗剪能力，則由荷載產(chǎn)生的剪力將全部轉(zhuǎn)移到另一

19、個墻肢而導(dǎo)致其抗剪承載力不足，因此，抗震設(shè)計的雙肢剪力墻中，墻肢不宜出現(xiàn)小偏心受拉。（4）墻肢的軸壓比限值 抗震設(shè)計時，一、二級抗震等級的剪力墻底部加強部位，其重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比不宜下表的限值。 剪力墻軸壓比限值 注：N為重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢的軸向壓力設(shè)計值； A為剪力墻墻肢截面面積； fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。 連梁的正截面計算同一般受彎構(gòu)件（連梁采用對稱配筋，計算時可只考慮鋼筋的作用）。2.連梁(1)正截面承載力 梁連在地震引起的反復(fù)剪力作用下，混凝土易發(fā)生破碎，導(dǎo)致剪切破壞。因此，有地震作用時，斜截面承載力降低。(2)斜截面承載力 當(dāng)剪力墻的連梁不滿足截面尺

20、寸限制條件時，可作如下處理： 1）減小連梁截面高度； 2）抗震設(shè)計的剪力墻中連梁彎矩及剪力可進行塑性調(diào)幅，以降低其剪力設(shè)計值，一般情況下，可掌握調(diào)幅后的彎矩不小于調(diào)幅前彎矩（完全彈性）的0.8倍（67度）和0.5倍（89度）。但在內(nèi)力計算時已對連梁剛度折減的情況，其調(diào)幅范圍應(yīng)當(dāng)限制或不再繼續(xù)調(diào)幅。當(dāng)部分連梁降低彎矩設(shè)計值后，其余部位連梁和墻肢的彎矩設(shè)計值應(yīng)相應(yīng)提高； 3） 當(dāng)連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢應(yīng)按兩次計算所得的較大內(nèi)力進行配筋設(shè)計。(3)關(guān)于連梁的內(nèi)力設(shè)計值調(diào)整 無地震作用組合以及有地震作用組合的四級抗震等級時，應(yīng)取考慮水平風(fēng)荷載或水平地震作用組合的剪力設(shè)計值。 有地震作用組合的一、二、三級抗震等級時，連梁的剪力設(shè)計值應(yīng)按下式進行調(diào)整：式中 分別為梁左、右端順時針或逆時針方向考慮地震作用組合的彎矩設(shè)計值，對一級抗震等級且兩端均為負彎矩時，絕對值較小一端的彎矩應(yīng)取零； 連梁的凈跨； 在重力荷載代表值（9度時還應(yīng)包括豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值）作用