高层建筑混凝土结构设计剪力墙.ppt

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1、1第第2章章 剪力墙结构设计剪力墙结构设计高层建筑混凝土结构设计高层建筑混凝土结构设计2剪力墙剪力墙(结构墙、抗震墙结构墙、抗震墙)具有较大的平面内侧向刚度，平面外刚度较具有较大的平面内侧向刚度，平面外刚度较小，易发生失稳定破坏，故需采用楼板对墙肢进行约束；剪力墙中洞口小，易发生失稳定破坏，故需采用楼板对墙肢进行约束；剪力墙中洞口应规则布置，洞口之间形成连梁；本课程主要介绍高剪力墙设计方法应规则布置，洞口之间形成连梁；本课程主要介绍高剪力墙设计方法(H/B3)(H/B3)2.112.11剪力墙构件剪力墙构件2.11.1 概述概述2.11.2 剪力墙的受力特点及分类剪力墙的受力特点及分类1.1.

2、剪力墙受力性能的两个主要指标剪力墙受力性能的两个主要指标 (1).(1).肢强系数肢强系数 nII式中，式中，I I为组给截面惯性矩，为组给截面惯性矩，I Ij j为各墙肢截面惯性矩之和为各墙肢截面惯性矩之和njIII3所以所以 11njnjnIIIII从式中看出，洞口越大，墙肢越弱，从式中看出，洞口越大，墙肢越弱，I In n变化不大而变化不大而I Ij j减小较多，故减小较多，故大；反之，洞口宽度小，墙肢强，大；反之，洞口宽度小，墙肢强，值小。值小。对称矩形截面双肢墙，洞宽为零时，对称矩形截面双肢墙，洞宽为零时，值趋于值趋于0.750.75；洞宽等于墙肢截；洞宽等于墙肢截面高度时，面高度时

3、，为为0.923.0.923.bh/2h/2h/4h/4h/3h/3bh/3h/3h/3h4(2).(2).整体性系数整体性系数 衡量连梁与剪力墙墙肢相对强弱的系数，它用连梁总的转角刚度和剪力墙衡量连梁与剪力墙墙肢相对强弱的系数，它用连梁总的转角刚度和剪力墙墙肢总线刚度比值来表达。墙肢总线刚度比值来表达。下面求出连梁考虑刚域和剪切变形影响的弯曲刚度后的总转解刚度：下面求出连梁考虑刚域和剪切变形影响的弯曲刚度后的总转解刚度：1122l12mm21 a.刚域的刚臂长度刚域的刚臂长度121414bbaahaah式中：式中：分别为左、右截面墙肢分别为左、右截面墙肢形心至洞口边缘距离；形心至洞口边缘距离

4、；12aa、为连梁跨度；为连梁跨度；a 为连梁截面高度为连梁截面高度。bh5 b.1和和2处杆端总弯矩处杆端总弯矩 单位转角产生的单位转角产生的1、2处杆端弯矩处杆端弯矩 12216bEImml 相对竖向位移相对竖向位移()产生的产生的1、2处杆端弯矩处杆端弯矩aa 212216bEImmaal 则则1、2处杆端总弯矩处杆端总弯矩 12121221mmmm22166bbaaaEIEIlll c.1和和2处杆端总弯矩处杆端总弯矩 1、2处的竖向剪力处的竖向剪力 3122112baVVEIl6 1、2处的杆端总弯矩为处的杆端总弯矩为 1231212161bmmVaEIa 2132121161bmm

5、VaEIa d.连梁总转角刚度连梁总转角刚度21221312bbEI aMmml 结构总高为结构总高为H、层高为、层高为h时，剪力墙共有时，剪力墙共有m列洞口，则连总转解刚度为列洞口，则连总转解刚度为231112mmbjjbjjjI aHEHMhhl 下面求出剪力墙总抗弯线刚度：下面求出剪力墙总抗弯线刚度：定义墙肢定义墙肢j抗弯线刚度为抗弯线刚度为 ，则所以墙肢抗弯线刚度之和为，则所以墙肢抗弯线刚度之和为jEIH11mjjEIH7 令令 为连梁总转角刚度与墙肢总抗弯线刚度之比，为连梁总转角刚度与墙肢总抗弯线刚度之比，(为剪力墙整体性系数为剪力墙整体性系数)，则，则223121112mbjjjj

6、mjjI aEHhlEIH 考虑墙肢轴向变形影响，墙肢线刚度乘以折减系数考虑墙肢轴向变形影响，墙肢线刚度乘以折减系数 则则2131112mbjjmjjjjI aHlhI 式中，式中，的取值的取值:34肢时为肢时为0.8，57肢时为肢时为0.85，8肢以上为肢以上为0.9，双肢墙，双肢墙12IIII 所以，对双肢墙所以，对双肢墙23121212()bI aIHh II lIII1III2b(连梁)(墙肢1)(墙肢2)82.2.单榀剪力墙的受力特点单榀剪力墙的受力特点 双肢剪力墙任意高度处截面弯矩组成如下：双肢剪力墙任意高度处截面弯矩组成如下：12()MMMNa 式中式中M1、M2为墙肢承担弯矩为

7、墙肢承担弯矩(局部弯矩局部弯矩)，N为墙肢中轴向拉、压力。为墙肢中轴向拉、压力。剪力墙受力特点有：剪力墙受力特点有：（1）任意截面弯矩）任意截面弯矩M由墙肢局部弯矩由墙肢局部弯矩(M1+M2)和整体弯矩和整体弯矩Na两部分组两部分组成成,整体性系数整体性系数 越大，墙肢洞口小，整体性越好，局部弯矩所占比重越大，墙肢洞口小，整体性越好，局部弯矩所占比重越小，整体弯矩越大；越小，整体弯矩越大；（2）N的大小与其上各层连梁剪力之和相同，剪力墙整体性越好，连的大小与其上各层连梁剪力之和相同，剪力墙整体性越好，连梁中剪力越大，梁中剪力越大，N值越大；值越大；（3）任一截面整体弯矩大小）任一截面整体弯矩大

8、小Na与其上各层连梁约束弯矩之和相同，与其上各层连梁约束弯矩之和相同，所以整体弯曲是由连梁提供的；所以整体弯曲是由连梁提供的；（4）剪力墙肢中应力是由局部弯矩产生的应力和整体弯矩产生的应力）剪力墙肢中应力是由局部弯矩产生的应力和整体弯矩产生的应力两部分组成。两部分组成。93.3.剪力墙与框架的判别剪力墙与框架的判别 在水平力作用下，大多数楼层墙肢是否出现反弯点是剪力墙与框在水平力作用下，大多数楼层墙肢是否出现反弯点是剪力墙与框架的判别标准。判别方法为架的判别标准。判别方法为 时，为剪力墙；时，为剪力墙；时，为框架或壁式框架时，为框架或壁式框架 为肢墙系数限值，详见教材表为肢墙系数限值，详见教材

9、表14-6.14-6.4.4.剪力墙分类剪力墙分类 (1)(1)整体剪力墙整体剪力墙洞口面积小于整个墙面立面面积的洞口面积小于整个墙面立面面积的15%15%；洞口间的距离及洞口到；洞口间的距离及洞口到墙边的距离大于洞口长边尺寸。墙边的距离大于洞口长边尺寸。(2)(2)整体小开口剪力墙整体小开口剪力墙 10且(3)(3)联肢剪力墙联肢剪力墙 10且102.11.3 剪力墙内力及水平位移计算剪力墙内力及水平位移计算1 整体剪力墙与整体小开口剪力墙整体剪力墙与整体小开口剪力墙 1）整体剪力墙内力计算）整体剪力墙内力计算 整体墙（包括小洞口整体墙），其受力状态如同悬臂梁，截面上应力是线性整体墙（包括小

10、洞口整体墙），其受力状态如同悬臂梁，截面上应力是线性分布的，因此整体墙的内力可按普通受弯构件计算各截面的弯矩及剪力。分布的，因此整体墙的内力可按普通受弯构件计算各截面的弯矩及剪力。实际应力整体弯曲应力局部弯曲应力整体小开口墙=+整体墙 2）整体小开口剪力墙内力计算）整体小开口剪力墙内力计算 各墙肢弯矩各墙肢弯矩Mj0.850.15jjjppjIIMMMII式中：式中：为计算截面总外弯矩；为计算截面总外弯矩；第第j墙肢惯性矩墙肢惯性矩;组合截面惯性矩组合截面惯性矩.jMjII112 2）顶点位移）顶点位移 需同时计算弯曲和剪切变形需同时计算弯曲和剪切变形30230230241()8113.641

11、(6041()3wwwwwwwwwV HEIEIGA HV HEIuEIGA HV HEIEIGA H均布荷载倒三角形荷载)顶点集中荷载 式式位移公式第一项为弯曲变形的式式位移公式第一项为弯曲变形的影响，第二项为剪切变形的影响。如果影响，第二项为剪切变形的影响。如果不考虑剪切变形的影响，则与一般受弯不考虑剪切变形的影响，则与一般受弯构件的位移计算公式完全相同了构件的位移计算公式完全相同了.各墙肢轴力各墙肢轴力Nj0.85pjjjMNA yI第第j墙肢截面面积墙肢截面面积;jA式中式中:第第j墙肢截面形心到组合截面形心的距离墙肢截面形心到组合截面形心的距离;jy 各墙肢剪力各墙肢剪力Vj12jj

12、jpjjAIVVAI A I A 2I2 A 3I3y1y3y2组合截面形心线1112剪力墙的等效刚度剪力墙的等效刚度 等效刚度：是按顶点位移相等的原则，考虑弯曲变形和剪切变形后，折算成等效刚度：是按顶点位移相等的原则，考虑弯曲变形和剪切变形后，折算成一个竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。一个竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。222()41(3.641()41wwwwewwwwwEIEIGA HEIEIEIGA HEIEIGA H均 布 荷 载倒三角形荷载)顶点集中荷载 若取若取G=0.42E，则，则 左式可近似统一为左式可近似统一为291wewwEIEIIA H303030()811(60()3eeeV

13、 HEIV HuEIV HEI均 布 荷 载倒三角 形荷载)顶点集中荷载 式中：式中：0V 为墙底部总剪力；为墙底部总剪力；H为剪力墙总高；为剪力墙总高；wA 考虑洞口影响后剪力墙折算截面积考虑洞口影响后剪力墙折算截面积整体墙整体墙01 1.25pwwwfAAb hA 整体小开口墙整体小开口墙ww jAA为截面剪应力分布不均区系数，矩形为截面剪应力分布不均区系数，矩形截面取截面取1.20pfAA、分别为洞口截面积和墙总立面分别为洞口截面积和墙总立面积；积；13wI 考虑洞口影响后剪力墙水平截面折算惯性矩考虑洞口影响后剪力墙水平截面折算惯性矩整体墙整体墙iiwiI hIh 整体小开口墙整体小开口

14、墙1.2wII iI 剪力墙沿竖向各段水平截面的惯性矩，有洞口时算组合截面惯性矩剪力墙沿竖向各段水平截面的惯性矩，有洞口时算组合截面惯性矩hi-1hihi+1Ii+1Ii Ii-1H 剪力墙截面惯性矩剪力墙截面惯性矩142 双肢剪力墙双肢剪力墙 连续化分析方法连续化分析方法(1)基本假定基本假定 anl1EI1A2EI2A1A2AbhhH1I2I0bEIanl 1)楼、屋盖平面内刚度无限大；楼、屋盖平面内刚度无限大；2)连续化假定：将每一楼层处的连梁简化成均布于整个层高范围内的许多小连续化假定：将每一楼层处的连梁简化成均布于整个层高范围内的许多小梁梁(剪力栅片剪力栅片),使作用于连梁上的内力沿

15、墙高方向连续分布；使作用于连梁上的内力沿墙高方向连续分布；15(2)建立变形协调方程建立变形协调方程 在连梁跨中切开，在外荷载和连梁剪力作用下，连梁两侧竖向相对位移为零。在连梁跨中切开，在外荷载和连梁剪力作用下，连梁两侧竖向相对位移为零。3)两个墙肢在同一标高处的水平位移和转角相等；两个墙肢在同一标高处的水平位移和转角相等；4)连梁反弯点位于跨中；连梁反弯点位于跨中；5)层高、墙肢及连梁截面力学特征参数沿墙高方向均为常数。层高、墙肢及连梁截面力学特征参数沿墙高方向均为常数。2nl1ay）（z）（zz2aH02nlPanl1EI1A2EI2AP161)墙肢弯曲变形引起的竖向相对位移墙肢弯曲变形引

16、起的竖向相对位移11a 墙肢轴线间距离墙肢轴线间距离;墙肢弯曲变形产生的转角。墙肢弯曲变形产生的转角。111111aa1172)墙肢轴向变形引起的竖向相对位移墙肢轴向变形引起的竖向相对位移2120111z HzdzdzEAAN)(2z）（zz0HNNNzazzdzzzNHz)()(183)连梁弯曲和剪切变形引起的竖向相对位移连梁弯曲和剪切变形引起的竖向相对位移h梁跨中作用剪力大小梁跨中作用剪力大小弯曲变形产生的相对位移弯曲变形产生的相对位移33012MbhlEI剪切变形产生的相对位移剪切变形产生的相对位移3VbhlGA3hz）（l2bnhll考虑刚域的影响考虑刚域的影响，连梁的计算跨度，连梁的计算跨度则则002121bbbbIIEIGA l令令333312MVbhlEI19由由1230得得31120111012z HbzhladzdzEAAEI上式对上式对 微分两次得微分两次得z3112111012bhlaEAAEI根据墙肢内力和弯曲变形关系，可得到各种荷载类型下根据墙肢内力和弯曲变形关系，可得到各种荷载类型下 关于关于 和和 的表达式的表达式z式中式中 ，除连梁剪力，除连梁剪力 为未