高层建筑结构设计(第五讲).ppt

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1、第五讲 钢筋混凝土剪力墙结构设计,内容提要一、悬臂剪力墙 剪力墙的破坏形态（剪跨比、轴压比）；弯曲破坏剪力墙延性的影响因素；剪力墙塑性铰区和加强部位；剪力墙在高轴压比下的破坏和轴压比限值；剪力墙的剪切破坏类型和平面外折断；低矮剪力墙等二、联肢剪力墙 联肢剪力墙的内力分布规律、裂缝分布和破坏形态；连梁对联肢剪力墙弹塑性性能的分析三、剪力墙墙肢的加强措施 剪力墙截面最小厚度；强剪弱弯；剪压比限值；约束边缘构件与构造边缘构件；分布钢筋；剪力墙平面外受力和平面外折断四、连梁的延性和设计概念 连梁的跨高比及破坏状态、连梁的设计措施、交叉斜撑配筋连梁等,第一节 悬臂剪力墙,一、剪力墙的破坏形态 在竖向和水

2、平荷载作用下，悬臂剪力墙破坏形态：弯曲破坏（大偏心受压破坏、小偏心受压破坏）,弯剪破坏,剪切破坏,滑移破坏,实际工程中这种破坏很少见，可能位置发生在施工缝处,一般剪力墙墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙 短肢剪力墙墙肢截面高度与厚度之比为5 8的剪力墙,为什么高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构？当采用短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构时，应满足那些规定？,二、受弯剪力墙延性的影响因素 受压区相对高度小，截面延性大 翼缘对剪力墙延性的影响 翼缘越大，延性越大。有翼缘可减小受压区高度，延性较好。端部有柱的截面延性最好。轴向力对剪力墙延性的影响 轴向力加大时，

3、受压区相对高度大，延性降低 分布钢筋对剪力墙延性的影响 分布钢筋配筋率高，受压区高度加大，对弯曲延性不利，但可以提高承载力，防止脆性破坏 端部配筋对剪力墙延性的影响 大多数剪力墙截面为对称配筋，受压区很小，端部配筋数量对延性的影响不大，但可提高承载力 混凝土强度对剪力墙延性的影响 提高混凝土强度等级，可减小受压区高度，也可提高延性，但对承载力没有影响,三、剪力墙的塑性铰区和加强部位 底部截面弯矩最大塑性铰区（一般小于或等于剪力墙截面高度hw）剪力最大交叉斜裂缝 塑性铰区应采取加强措施剪力墙的加强部位 规程规定：抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度(墙肢高度的1/8、底部两层）max 由

4、于地震波的不确定性和结构高振型的影响，地震波作用下进行动力分析所得的弯矩和剪力分布规律与静力计算结果有所不同(20层悬臂剪力墙（截面抗弯钢筋沿高度不变）结构在El-Centro地震波作用下弹塑性地震反应分析得到的弯矩和剪力包络图),结论：剪力包络线向外弯曲，弯矩包络线接近直线，它们沿高度的分布规律与静力分析结构不同，各截面的最大内力值都已超过弹性静力分析结果。,预期悬臂墙底截面出塑性铰时，用于截面配筋的设计弯矩图至少取直线，理想最小承载力包络线应图a所示。规范要求抗震等级为一级的剪力墙按图b确定的各截面的弯矩设计值。,四、剪力墙在高轴压比下的破坏和轴压比限值 随着建筑高度的增加，剪力墙墙肢的轴

5、压力也增加，其延性降低。为保证剪力墙的延性，避免截面上的受压区高度过大而出现小偏压情况。,计算墙肢轴压比时，轴压力设计值N取重力荷载代表值作用下产生的轴压力设计值,规范的轴压比限制不区分截面形式，实际应用中，还是应当考虑到截面形式的影响,需要限制轴压比的截面主要是在剪力墙的加强部位，通常取底截面进行验算,在剪力墙底部加强部位设置边缘构件是提高剪力墙延性等抗震性能的重要措施，边缘构件要求与轴压比有关。,五、剪力墙的剪切破坏类型和平面外错断 剪力墙平面内的剪切破坏类型：剪拉破坏 配置抗剪分布钢筋不足 剪压破坏 配置足够抗剪分布钢筋 剪切滑移破坏 截面剪切应力过高，即使配置了许多分布钢筋，在未发挥作

6、用前，混凝土压碎 为防止脆性破坏，重点加强部位是剪力墙底部塑性铰区，措施：为避免脆性的剪切破坏，应按照强剪弱弯的要求设计剪力墙墙肢。规范：剪力墙加强部位的剪力设计值V增大,在设防烈度为9度时尚应由墙肢受弯承载力反算剪力设计值,限制剪力墙截面的平均剪应力（剪压比）,有地震作用组合时,设计有翼缘的剪力墙，避免设计一字形截面的剪力墙 当轴压比较高时，在墙肢边缘应力较大的部位用端部竖向钢筋和箍筋组成暗柱或明柱边缘构件（约束边缘构件、构造边缘构件）当边缘的压应力较高时，采用约束边缘构件，其约束范围大，箍筋较多，对混凝土的约束较强 当边缘的压应力较小时，采用构造边缘构件，其箍筋较少，对混凝土的约束较差,约

7、束边缘构件的范围是剪力墙截面端部轴压应力较大的部位，我国规范直接给出了约束范围，并将此规范分为两部分：靠近端部边缘部分的应力最大（图中阴影部分），箍筋数量要求多、要求高；靠内的部分应力减小，箍筋要求降低一些,构造边缘构件（图示）的配筋范围和配筋数量均小于约束边缘构件,在开洞剪力墙中洞口边是否要设置约束边缘构件，应根据应力分布规律确定。,剪力墙洞口小连梁跨高比小，墙肢应力分布接近直线，端部约束构件的长度可按全截面计算，洞口边缘处应力不大，不需设置约束边缘构件。,开洞剪力墙洞口大连梁跨高比大，墙肢的应力分布锯齿性明显，洞口边应力可能很大，需要设置约束边缘构件，其长度可按一个墙肢计算,六、低矮墙,(

8、2)底部大空间结构中落地剪力墙的底部,低矮剪力墙剪切破坏,新西兰坎特伯雷大学T.Paulay教授作一组低矮剪力墙试验,防止出现脆性破坏的主要措施：限制名义剪应力、加大抗剪钢筋,在多层和高层现浇钢筋混凝土结构中，采用宽度和高度接近的墙体，一般应沿墙体长度方向将墙“切断”在剪力墙中开大洞，保留一个“弱连梁”，或仅有楼板作为个墙肢的联系。,第二节 联肢剪力墙,一、联肢剪力墙的内力分布 由连续化方法得到的联肢剪力墙的内力计算公式：,联肢墙截面应力的分解,公式的物理意义 联肢肢剪力墙截面的应力=整体弯曲应力组成每个墙肢的部分弯矩及轴力（相应式中的第一项）+局部弯曲应力组成另一部分弯矩（没有轴力）（相应式

9、中的第二项）系数k k表示两部分弯矩的百分比，k越大，则整体弯曲应力较大，局部弯曲应力较小，截面上总应力分布更接近直线。可能一个墙肢完全为拉应力，另一个墙肢完全为压应力，墙肢的轴向力较大而弯矩较小。,在倒三角形荷载作用下，k值计算公式：,由连续化分析法得到的连梁剪力达,二、联肢剪力墙的裂缝分布和破坏形态 连梁的裂缝分布和破坏形态 当连梁跨高比较大时，连梁以弯为主，梁端可能出现塑性铰，最后发生弯曲破坏。当连梁跨高比不大（ll/hb2）,梁端易出现斜裂缝，当抗剪能力不足或截面剪应力过大时，出现剪切破坏；也可能是弯曲屈服后的剪切破坏。墙肢的裂缝分布和破坏形态 墙肢可能出现弯曲破坏或剪切破坏，墙肢内力

10、分布和破坏形态与连梁刚度和连梁承载力有密切关系 探讨开洞对剪力墙内力分布和延性的影响（清华大学）三片开洞不同的剪力墙模型（7层）（连梁和墙肢按强剪弱弯设计）S-1A（二排洞口）：有较多连梁钢筋达屈服，连梁裂缝较多而墙肢水平裂缝宽度较小。刚度小，塑性变形大，延性很好。S-2（一排洞口）：连梁上有很细的裂缝但钢筋没有屈服，底截面和二层第截面都出现水平裂缝。其刚度与塑性变形基本与整体悬臂墙相同。S-3（没有洞口）：底部出现一条水平裂缝，破坏时裂缝宽度最大达20mm，边缘受拉钢筋被拉断。,探讨连梁配筋不同对剪力墙内力分布和延性的影响（清华大学）S-5（配筋率0.24%）：较多的连梁钢筋屈服，墙肢上裂缝

11、少而细，剪力墙的刚度较小而塑性变形较大。S-6（配筋率介于S-5与S7之间）：S-7（配筋率0.62%）：连梁钢筋没有屈服，墙脂裂缝较多而粗，剪力墙的承载力较高二塑性变形较小。连梁刚度较大，或配筋较多而连梁不屈服，都有可能使开洞剪力墙的性能趋于悬臂臂力墙，对于实现超静顶结构和提高剪力墙的研性是不利的。,三、连梁对联肢剪力墙弹塑性性能影响分析 美国伯克利加州大学双肢剪力墙模型试验：15层双肢剪力墙（按美国规范设计），试验模型取底部4层，顶部施加的弯矩、轴力及剪力模拟了15层结构中传到底部4层的荷载。试验现象：实测的刚度和承载力都大大超过设计时预期的刚度和破坏荷载；受压墙肢的剪压破坏现象 一个墙肢

12、出现轴拉力，另一墙肢轴压力大大超过设计值，由于墙肢轴想力增大而使受弯承载力增加。作业 试验时如何正确模拟模型顶部施加的荷载与实际结构相一致？分析出现上述现象的原因。,当墙肢相同且连梁不被剪坏的条件下，连梁的弹性刚度对双肢剪力墙的初始刚度影响较大；连梁的配筋和抗弯承载力对双肢剪力墙的最大承载力影响很大，对墙肢中的轴力影响很大。原因：,连梁的弯矩大，剪力就大，连梁剪力直接影响墙肢轴力，当连榔截面及配筋加大时，受拉墙肢拉力增大，甚至超过重力作用下的轴压力而使墙肢受拉，从而出现贯通水平裂缝。受压墙肢轴向压力加大而提高墙肢的抗弯承载力。,受压墙肢出现剪压破坏？,在弹性阶段，受压墙肢与受拉墙肢的剪力相等。

13、受拉墙肢屈服后刚度降低，出现内力重分布，受压墙肢的剪力直线增加，直至其竖向钢筋也屈服，受压墙肢剪力下降一个过程后逐步稳定，然后受压墙肢的剪力又重新上升，直到破坏。,三、剪力墙墙肢的加强措施1、剪力墙截面的最小厚度 剪力墙最小厚度稳定要求的厚度楼层高度和无支长度两者中的较小者控制,H-层高或剪力墙无支承长度二者中的较小值,无端柱或翼墙的一字形剪力墙的最小厚度层高h确定,2、强剪弱弯3、剪压比限制4、约束边缘构件与构造边缘构件5、分布钢筋（竖向和横向分布钢筋）,为避免墙表面的温度收缩裂缝，墙肢分布钢筋不允许采用单排配筋，一般采用双排配筋。当截面厚度较大时，为了使混凝土均匀受力，可采用多排配筋，多排

14、分布钢筋之间设置拉筋。,6、剪力墙平面外受力和平面外弯曲 剪力墙平面外错断破坏 主要发生在没有侧向支承的剪力墙中，错断通常发生在一字形剪力墙中的塑性铰区，当混凝土在反复荷载作用下挤压破碎形成一个混凝土破碎带时，在竖向重力荷载作用下，钢筋和箍筋几乎没有抵抗平面外墙错断的能力，易发生平面外错断破坏。防止剪力墙平面外错断破坏措施 设置翼缘或在端部配置型钢 设置墙垛、或钢筋暗柱、或型钢钢骨 加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力 选用较小的梁、调幅减少两梁端弯矩、或做成变截面梁（减小梁端截面）减少梁端弯矩对剪力墙平面外的受弯,第三节 连梁的延性和设计概念,连梁对联肢剪力墙的刚度、承载力、延性等有很大的影响

15、，是实现二道设防设计的重要构件。连梁的设计要求 在小震和风荷载作用的正常状态下，连梁起着联系墙肢、加大剪力墙刚度的作用，承受弯矩的剪力，不能出现裂缝 在中震下，应首先出现弯曲屈服，耗散地震能量 在大震作用下，可能、也允许连梁出现剪切破坏,一、普通配筋连梁跨高比及破坏形态,剪切变形破坏 按强剪弱弯设计的连梁（跨高比小于2）受弯钢筋屈服后，由于剪切变形超过了混凝土变形极限而出现了剪切破坏，具有一定的延性，属于弯曲屈服后的剪切破坏 剪切变形破坏形态 截面上的剪压比有关 弯曲滑移型破坏（剪压比较小）在反复荷载作用下梁端竖向弯曲裂缝贯穿全截面，沿着竖向裂缝的滑移反复作用而导致混凝土压碎。剪切滑移型破坏（

16、剪压比较大）在反复荷载作用下连梁出现交叉裂缝和贯通全截面的竖向弯曲裂缝，反复错动挤压造成交叉裂缝区的混凝土破碎。剪切破坏（剪压比更大）在受弯钢筋屈服后，很快出现一条或两条交叉的主斜裂缝，沿斜裂缝出现剪切破坏 弯曲滑移型破坏的延性较好，剪切滑移型破坏次之，剪切破坏延性差。,在普通配筋的连梁中，改善屈服后剪切破坏性能、提高连梁延性的主要措施：控制剪压比（主要因素）提高配箍率,限制连梁的剪压比，防止连梁过早剪切破坏，规范：,连梁的强剪弱弯,地震组合的一、二、三级抗震等级时，连梁的剪力设计值,9度抗震设计时尚应符合,二、连梁最大、最小抗弯配筋率和剪压比的关系 假定连梁对称配筋，且忽略连梁在竖向荷载下的

17、剪力，近似取连梁的剪力：,只要连梁的受弯配筋率不超过上式，就满足剪压比要求。即在连梁中控制剪压比就是控制受弯配筋。,连梁最小、最大受弯配筋率：,在任何情况下，连梁受弯配筋率不超过下式给出值：,跨高比大于1.5的连梁受弯最小配筋率可按一般梁的要求选用,跨高比小于1.5的连梁受弯最小配筋率按下表选用,三、连梁的弯矩调幅 强墙弱梁联肢剪力墙：采用降低连梁弯矩设计值的方法，即进行连梁的弯矩调幅 按连梁弹性刚度计算内力和位移，将计算得到的连梁弯矩组合值乘以调幅系数，直接降低连梁弯矩设计值。在进行结构弹性计算时，将连梁刚度进行折减，以减小连梁弯矩和剪力值。连梁弯矩减少多少为宜？连梁弹性刚度所得的连梁弯矩直

18、接折减时,折减系数:连梁的内力调整不能低于风荷载下的内力，也不能低于小震下的内力。即 当设防烈度为9度和8度，而风荷载不大时，连梁弯矩调幅幅度可大一些；设防烈度为7度，或风荷载较大时，连梁弯矩的调幅幅度要小些。一般：设防烈度8度、9度 连梁弯矩折减系数不宜小于0.6 设防烈度7度 连梁弯矩折减系数不宜小于0.8,连梁刚度进行折减的方法计算时，连梁的刚度折减系数 倒三角形荷载作用下,JGJ3-2002:在内力与位移计算中,抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减,折减系数不宜小于0.5,四、连梁设计措施 抗风结构（非抗震结构）可以用加大连梁尺寸的方法提高连梁刚度，计算时，连梁刚度

19、不宜折减，内力也不宜调幅。抗震结构不宜用加大连梁尺寸的方法提高剪力墙刚度，开洞剪力墙中的连梁宜较小，如结构刚度不足，可采用其他方法增大结构总刚度。抗震结构要考虑弹塑性性能以抵抗中震和大震，因此不宜采用刚度很大的连梁，不宜设计类似整体小开口剪力墙。联肢剪力墙的整体系数不宜小于10，也不宜设计配筋很多的连梁，应对连梁弯矩调幅设计成强墙弱梁的延性剪力墙。当剪力墙长度很大时，可以开一个大洞，形成“弱连梁”整体系数1的连梁，将剪力墙分割成长度较小的墙。弱连梁对墙肢的约束弯矩很小，计算时弱连梁的刚度不宜针减。抗震剪力墙可通过连梁的内力调幅降低连梁的弯矩，但调整后的连梁弯矩不能低于风荷载下的连梁弯矩，也不能

20、低于小震下的连梁弯矩。跨高比小于2.5的连梁多数出现剪坏，为避免脆性剪切破坏，主要措施是控制剪压比和适当增加箍筋数量。为了限制连梁截面的剪压比，应适当控制连梁的受弯钢筋数量，受弯钢筋不超过最大配筋率，也不小于最小配筋率。,当连梁破坏对承受竖向荷载没有很大影响时，在大震作用下，允许连梁剪切破坏，按照多道设防的概念设计联肢剪力墙。核心筒的连梁或框筒结构中的深梁可以采用交叉斜撑配筋，以改善连梁的延性性能。,五、交叉斜撑配筋连梁 新西兰坎伯雷大学T.Pauly教授提出。我国JGJ3-2002规范规定连梁设置交叉暗撑的构造要求 交叉连梁的受力图,在交叉配筋连梁中，连梁的剪力由交叉斜撑承担，交叉斜撑起拉杆

21、和压杆作用，形成桁架传力途经，混凝土虽然被压碎，桁架仍然能继续受力，对墙肢的约束弯矩仍起作用,交叉配筋连梁的构造要求 为防止斜筋压屈，必须用矩形箍筋或螺旋箍筋与斜向钢筋绑在一起，形成既要受拉，又要受压的斜撑杆。箍筋直径8mm，箍筋间距200mm及梁截面宽度的一半；端部加密区的箍筋间距100mm，加密区长度600mm及梁截面宽度的2倍 梁截面宽度不宜小于300mm。纵筋伸入竖向构件的长度不应小于la1（非抗震设计时，la1=la；抗震设计时，la1=1.15la）,对于延性要求高的核心筒连梁和框筒窗裙梁可采用交叉暗撑。JGJ3-2002：跨高比2的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑；跨高比1的框筒梁和内筒连梁应采用交叉暗撑，且符合构造要求。,