剪力墙

剪力墙(shear wall)又称抗风墙、抗震墙或结构墙。房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载(重力)的墙体,防止结构剪切(受剪)破坏。又称抗震墙,一般用钢筋混凝土做成。

它分平面剪力墙和筒体剪力墙。平面剪力墙用于钢筋混凝土框架结构、升板结构、无梁楼盖体系中。为增加结构的刚度、强度及抗倒塌能力,在某些部位可现浇或预制装配钢筋混凝土剪力墙。现浇剪力墙与周边梁、柱同时浇筑,整体性好。筒体剪力墙用于高层建筑、高耸结构和悬吊结构中,由电梯间、楼梯间、设备及辅助用房的间隔墙围成,筒壁均为现浇钢筋混凝土墙体,其刚度和强度较平面剪力墙可承受较大的水平荷载。

墙根据受力特点可以分为承重墙和剪力墙,前者以承受竖向荷载为主,如砌体墙;后者以承受水平荷载为主。在抗震设防区,水平荷载主要由水平地震作用产生,因此剪力墙有时也称为抗震墙。

剪力墙

按结构材料可以分为钢板剪力墙、钢筋混凝土剪力墙和配筋砌块剪力墙。其中以钢筋混凝土剪力墙最为常用。

类别

一般按照剪力墙上洞口的大小、多少及排列方式,将剪力墙分为以下几种类型:

整体墙

没有门窗洞口或只有少量很小的洞口时,可以忽略洞口的存在,这种剪力墙即称为整体剪力墙,简称整体墙。

当门窗洞口的面积之和不超过剪力墙侧面积的15%,且洞口间净距及孔洞至墙边的净距大于洞口长边尺寸时,即为整体墙。

小开口整体墙

门窗洞口尺寸比整体墙要大一些,此时墙肢中已出现局部弯矩,这种墙称为小开口整体墙。

连肢墙

剪力墙上开有一列或多列洞口,且洞口尺寸相对较大,此时剪力墙的受力相当于通过洞口之间的连梁连在一起的一系列墙肢,故称连肢墙。

框支剪力墙

当底层需要大空间时,采用框架结构支撑上部剪力墙,就形成框支剪力墙。在地震区,不容许采用纯粹的框支剪力墙结构。

壁式框架

在连肢墙中,如果洞口开的再大一些,使得墙肢刚度较弱、连梁刚度相对较强时,剪力墙的受力特性已接近框架。由于剪力墙的厚度较框架结构梁柱的宽度要小一些,故称壁式框架。

开有不规则洞口的剪力墙

有时由于建筑使用的要求,需要在剪力墙上开有较大的洞口,而且洞口的排列不规则,即为此种类型。

需要说明的是,上述剪力墙的类型划分不是严格意义上的划分,严格划分剪力墙的类型还需要考虑剪力墙本身的受力特点。

根据受力性能不同,可分为以下几种:

独立墙肢

整体小开口剪力墙

整截面剪力墙

壁式框架

连肢剪力墙

特点

短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的4-8倍剪力墙结构,常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。

这种结构形式的特点是:

①结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上不与建筑使用功能发生矛盾;

②墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要而定,还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置;

③能灵活布置,可选择的方案较多,楼盖方案简单;

④连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,可隐蔽;

⑤根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度要求。

对短肢剪力墙结构的设计计算,因是剪力墙大开口而成,所以基本上与普通剪力墙结构分析相同,可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法,前者如建研院的TBSA、TAT、广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块;后者如建研院的TBSSAP、SATWE、清华大学的TUS、广东省建院的SSW等。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况,精度较高。虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广,但对墙肢较长的短肢剪力墙,应该用空间杆-墙组元程序进行校核。

在进行以上分析后,按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计,相对于异形柱结构,短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟,但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。

◎由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小,设计时宜布置适当数量的长墙,或利用电梯,楼梯间形成刚度较大的内筒,以避免设防烈度下结构产生大的变形,同时也形成两道抗震设防;

◎短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢,当有扭转效应时,会加剧已有的翘曲变形,使其墙肢首先开裂,应加强其抗震构造措施,如减小轴压比,增大纵筋和箍筋的配筋率;

◎高层短肢剪力墙结构在水平力作用下,呈现整体弯曲变形为主,底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力,由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂,因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量,加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接,避免形成孤立的“一”字形墙肢;

◎各墙肢分布要尽量均匀,使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近,必要时用长肢墙来调整刚度中心;

◎高层结构中的连梁是一个耗能构件,在短肢剪力墙结构中,墙肢刚度相对减小,连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁,不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调,使其设计内力降低,应按普通框架梁要求,控制砼压区高度,其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70~80%解决。按强剪弱弯、强柱弱梁的延性要求进行计算,剪力墙的计算。

概念效能

①建筑物中的竖向承重构件主要由墙体承担时,这种墙体既承担水平构件传来的竖向荷载,同时承担风力或地震作用传来的水平地震作用,剪力墙即由此而得名(抗震规范定名为抗震墙)。

②剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙,因此墙体的布置必须同时满足建筑平面布置和结构布置的要求。

③剪力墙结构体系,有很好的承载能力,而且有很好的整体性和空间作用,比框架结构有更好的抗侧力能力,因此,可建造较高的建筑物。

④剪力墙结构的优点是侧向刚度大,在水平荷载作用下侧移小,其缺点是剪力墙的间距有一定限制,建筑平面布置不灵活,不适合要求大空间的公共建筑。另外结构自重也较大,灵活性差,一般适用住宅、公寓和旅馆。

⑤剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板,可以不设梁,所以空间利用比较好,可节约层高。

适用范围

①框架-剪力墙结构:由框架与剪力墙组合而成的结构体系,适用于需要有局部大空间的建筑,这时在局部大空间部分采用框架结构,同时又可用剪力墙来提高建筑物的抗震能力,从而满足高层建筑的要求。

抗震墙竖向、横向分布钢筋的配筋,应符合下列要求:

1.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级抗震墙的竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应小于0.25%;四级抗震墙不应小于0.20%;钢筋间距不应大于300mm,直径不应小于8mm。

2.部分框支抗震墙结构的抗震墙底部加强部位,纵向及横向分布钢筋配筋率均不应小于0.3%,钢筋间距不应大于200mm。

②普通剪力墙结构:全部由剪力墙组成的结构体系。

③框支剪力墙结构:当剪力墙结构的底部需要有大空间,剪力墙无法全部落地时,就需要采用底部框支剪力墙的框支剪力墙结构。

结构布置

平面布置

剪力墙结构中全部竖向荷载和水平力都由钢筋混凝土墙承受,所以剪力墙应沿平面主要轴线方向布置。

矩形、L形、T形平面时,剪力墙沿两个正交的主轴方向布置;

三角形及Y形平面可沿三个方向布置;

正多边形、圆形和弧形平面,则可沿径向及环向布置。

单片剪力墙的长度不宜过大:

长度很大的剪力墙,刚度很大将使结构的周期过短,地震力太大不经济;

剪力墙以处于受弯工作状态时,才能有足够的延性,故剪力墙应当是高细的,如果剪力墙太长时,将形成低宽剪力墙,就会易受剪破坏,剪力墙呈脆性,不利于抗震。故同一轴线上的连续剪力墙过长时,应用楼板或小连梁分成若干个墙段,每个墙段的高宽比应不小于2。每个墙段可以是单片墙,小开口墙或联肢墙。每个墙肢的宽度不宜大于8m,以保证墙肢是由受弯承载力控制,和充分发挥竖向分布筋的作用。内力计算时,墙段之间的楼板或弱连梁不考虑其作用,每个墙段作为一片独立剪力墙计算。

修理

根据在实际工程中的施工经验,综合对裂缝的研究现状。钢筋混凝土剪力墙的裂缝一般可分为表面不规则裂缝、贯穿性裂缝。表面不规则裂缝一般出现在混凝土浇注后不久,分布于墙体表面,此种裂缝既宽又密,但深度一般不大,多因养护不足而产生,对结构构件影响一般不大,且易于治理。竖向贯穿性裂缝一般发生在混凝土浇注后若干天后(一般拆模后不久),由下而上,走向与楼面接近垂直,有的通至楼面板底但不穿过楼层,缝宽一般为0.1~0.3mm,个别可达0.4~0.5mm,缝深一般较大,最深者可贯穿墙体。因养护不好引起的表面不规则裂缝常不至于带来多少影响,且易于处理。

一般情况下,工程中构件裂缝产生的主要原因可分为两大类:

一是动、静荷载和其他各种外荷载引起的;

二是由混凝土内外温差、收缩或地基不均匀沉降等变形荷载引起的。此外,设计体型和结构布置也是产生裂缝的一个重要原因。总之裂缝产生的原因很复杂,综合考虑设计、材料、施工及环境等各方面的因素,钢筋混凝土剪力墙裂缝主要由以下原因产生:

1混凝土的收缩应力过大

混凝土的收缩应力过大收缩裂缝主要与水泥用量、骨料、构件长度及外加剂等因素有关

(1)水泥用量

随着我国高层建筑的不断发展,各种高强度混凝土也得到了广泛的应用,C50、C60乃至C80混凝土设计标号已屡见不鲜,由此相应的是水泥用量的增大、水灰比的减小。而水灰比是影响混凝土收缩的最主要因素。例如,当水灰比小于0.35时。体内相对湿度很快降至80%以下,自收缩引起的体积减小在8%左右,收缩值相当可观。

(2)骨料

预拌混凝土为了满足运输、泵送的要求。增加了细骨料用量,使得骨料的表面积增大,相应包裹在骨料上的水泥等胶凝材料变少,减弱了混凝土之间的连接能力,增大了混凝土的塑性收缩。

(3)构件长度现代建筑的跨度、构件长度均有较大提高。

(4)外加剂

外加剂在混凝土中掺量少,作用大。使用的混凝土中普遍掺有减水剂、缓凝剂、早强剂、防水剂等多种外加剂。研究表明,有近一半外加剂会造成混凝土收缩率大于基准混凝土,混凝土收缩率的增大自然增大了裂缝的出现概率。外加剂对混凝土性能影响极大,可能是导致混凝土开裂的重要原因。

2混凝土的温度应力过大

温度裂缝主要与水泥品种、养护条件、拆模时间及温差等因素有关:

(1)水泥品种

预拌混凝土大多使用新法(主要为旋窑)烧制成的水泥,尤其为提高混凝土标号,大量使用硅酸盐水泥,使得水泥水化热高且集中。水泥水化过程中放出大量的热量,且大部分水化热都是在浇筑的前三天释放,而混凝土是热的不良导体,产生的热量不易散发,内部温度不断上升。而拆模后,表面散热快,温度较低,内外形成温度梯度。内部混凝土热胀产生压应力,外部混凝土产生拉应力。当此拉应力超过此时混凝土的抗拉强度时,便使混凝土产生裂缝开裂。

(2)养护条件

由于剪力墙养护不足,墙体表面积大水分散失快,体积收缩大,而内部湿度变化相对较小,体积收缩较小,表面收缩变形受到内部混凝土的约束而产生拉应力,引起混凝土表面开裂。

(3)拆模时间

墙体模板的拆除时间过早,混凝土表面温度急剧变化,产生较大的降温收缩,表面受到内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力(内部混凝土温度变化相对较小,受自约束而产生压应力),而混凝土早期抗拉强度和弹性模量较低,因而出现墙体表面较浅范围内的裂缝。另外在室外温差较大的严冬和盛夏,由于混凝土结构不易导热,在结构的顶部和底部常产生温度裂缝。

3剪力墙所受的各种约束

出现了上述混凝土材料的温度和收缩应力,如果结构或构件不受约束影响,那么其将自由变形也不会产生裂缝。但实际工程中的剪力墙结构构件受到各种约束的影响,如楼板、剪力墙的暗柱(或明柱)及端墙的约束,地下室侧墙受到地下室顶板和底板的约束。这些约束使得剪力墙结构构件不能自由变形或者跟约束构件的变形不同步(或协调)而导致裂缝的产生。

针对上述裂缝产生的原因,可相应采取以下预防和治理措施

(1)调整混凝土各组分。如采用高标号水泥,减小水泥用量;尽量使用低水化热的水泥;严格控制外加剂的品种及用量;砂宜采用中砂,保证石子级配良好,并严格控制砂石含泥量。

(2)拆模及养护。适当延长剪力墙混凝土的拆模时间,并且拆模时不要马上移走模板,而是先让模板拆开一条缝隙作浇水养护用,从而改善混凝土的养护环境以达到控制墙体裂缝的目的。特别是预拌混凝土早期水化快,水化热发展快,拌合物保水性强,泌水小,为此,施工过程中应特别注意加强养护环节的管理及防护措施的应用。施工中当混凝土密实后,应尽可能早地覆盖养护,及时喷水,适当延长养护时间,这样,既可以减少内外部温差,又可以保证早期湿养护和后期养护的最佳效果。

(3)混凝土中掺加膨胀剂。膨胀剂由于在一定程度上补偿了收缩应力,能有效减少混凝土收缩裂缝。

(4)剪力墙上增开”结构小洞”。这可能是最有效的方法,通过开洞把长墙变成短墙,减少混凝土收缩变形的约束,使混凝土收缩应力得到释放,从而达到控制墙体裂缝的目的,但必需重新对结构进行计算,确保结构的安全及正常的使用功能。

(5)留置后浇带。即先浇注后浇带两侧混凝土,约两个月后当混凝土收缩变形趋于稳定时,再浇筑留缝部位,从而避免因收缩应力而出现裂缝。

(6)在剪力墙中部设置暗梁(或设置顶部暗圈梁)。这样贯穿性裂缝只能裂到梁底,而不至裂到楼面板底,可有效减小有害裂缝的长度。

(7)调整水平钢筋配筋方案。将剪力墙水平钢筋置于竖向钢筋外侧,有效减小了混凝土保护层厚度,增强了剪力墙表层混凝土的抗裂性。

(8)增加抗收缩钢筋。遵循配筋细而密可抵抗收缩应力的原则,适当增加水平钢筋的配筋率、减小钢筋直径而缩小配筋间距。另外在对剪力墙造成约束的结构构件与其连接处增设钢筋对裂缝亦能起到一定的抑制作用。

(9)裂缝补强治理措施。当裂缝不能自我愈合,且长期存在会给结构构件带来耐久性、安全性和建筑使用功能等方面的影响而必须给予治理时,可待裂缝发展稳定后,针对不同大小的裂缝采取相应的有关治理措施。

受力分析

剪力墙所承受的竖向荷载,一般是结构自重和楼面荷载,通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁(门窗洞口上的梁)内产生弯矩以外,在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。

在水平荷载作用下,剪力墙受力分析实际上是二维平面问题,精确计算应该按照平面问题进行求解。可以借助于计算机,用有限元方法进行计算。计算精度高,但工作量较大。在工程设计中,可以根据不同类型剪力墙的受力特点,进行简化计算。

整体墙和小开口整体墙

在水平力的作用下,整体墙类似于一悬臂柱,可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力。小开口整体墙,由于洞口的影响,墙肢间应力分布不再是直线,但偏离不大。可以在整体墙计算方法的基础上加以修正。

连肢墙

连肢墙是由一系列连梁约束的墙肢组成,可以采用连续化方法近似计算。

壁式框架

壁式框架可以简化为带刚域的框架,用改进的反弯点法进行计算。

框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙

此两类剪力墙比较复杂,最好采用有限元法借助于计算机进行计算。其计算判断过程是由整体参数来判断的有关计算方法有那些注意的问题,希望大家展开讨论.还有个比较重要而且需要进一步理解的概念是:协同工作原理基本的原理是这样的:框架结构和剪力墙结构,两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。框架的侧移曲线是剪切型,曲线凹向原始位置;而剪力墙的侧移曲线是弯曲型,曲线凸向原始位置。在框架—剪力墙(以下简称框-剪)结构中,由于楼盖在自身平面内刚度很大,在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。这使得框—剪结构的侧移曲线既不是剪切型,也不是弯曲型,而是一种弯、剪混合型,简称弯剪型。在结构底部,框架将把剪力墙向右拉;在结构顶部,框架将把剪力墙向左推。因而,框—剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些,比纯剪力墙结构的侧移要大一些;其顶部侧移则正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时,二者之间为保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系,即为协同工作原理。

考虑地震作用组合的剪力墙,其正截面抗震承载力应按规定计算,但在其正截面承载力计算公式右边,应除以相应的承载力抗震调整系数γRE。剪力墙各墙肢截面考虑地震作用组合的弯矩设计值:对一级抗震等级剪力墙的底部加强部位及以上一层,应按墙肢底部截面考虑地震作用组合弯矩设计值采用,其他部位可采用考虑地震作用组合弯矩设计值乘以增大系数

构成编号

为表达清楚、简便,剪力墙可视为由剪力墙柱、剪力墙身、剪力墙梁三类构成。

编号规定:将剪力墙柱、剪力墙身、剪力墙梁(简称为墙柱、墙身、墙梁)三类构件分别编号。

墙身编号

由墙身代号、序号以及墙身所配置的水平与竖向分不钢筋的排数组成,其中,排数注写在括号内。

剪力梯

用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。剪刀梯是一种比较常用的楼梯类型。做高层住宅,18层以上的高层住宅每个单元需要两个楼梯间作逃生通道。一般为了节省面积,减少公摊面积与投资,会做成剪刀梯的形式。剪刀梯的一般做法有:

1、中间分隔墙做梁,梁支承于两边梯梁上,分隔墙采用砌块砌筑,楼梯梯板按单向板支承于梯梁上,这样受力明确,施工也较为简单,但若楼梯间进深较大,则分隔墙梁跨度较大,需要的高度较高,可能影响建筑净高(关联着梯梁高度);

2、中间分隔墙做混凝土墙,楼梯梯板单向支承于两边混凝土墙上,这种情况下,梯梁较小(因为只支承平台板),节约混凝土和钢筋,但是需要在两边混凝土墙上预留斜向插筋,施工较为麻烦且施工质量不容易保证;

3、再一种是中间分隔墙做混凝土墙,楼梯梯板仍按单向支承在两边梯梁上,这样做,分隔墙可仅按构造处理,施工较为简便。对第三种方法,有的设计人员认为,因为混凝土墙总高度较高,又没有和楼梯进行拉结,在地震作用下会丧失稳定,其实大可不必担心,因为毕竟每层的梯板(斜板)已经形成侧面的约束,而且由于不与主体拉结,分担的地震作用较小,不会因此而遭到破坏。各地应该因地制宜来采取适合的设计和施工方法,尽量做到经济节约,技术合理。

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