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论剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

  论剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

  吴智登

  广西中盛建筑设计有限公司530022

  摘要:剪力墙结构是常见的建筑结构形式,在建筑结构得到了广泛的应用。了解剪力墙结构的基本性能,掌握其分析与设计方法,是从事建筑结构设计、分析的基础。本文结合剪力墙结构设计的相关理论,分析了剪力墙结构设计要点,并就其在工程中的实际应用进行了研究。
 

剪力墙结构设计


  关键词:剪力墙;结构设计;应用分析

  前言

  剪力墙结构是指纵横向主要承重构件全部为结构墙的结构。当墙体处于建筑物中合适的位置时,它们能形成一种有效抵抗水平作用的结构体系,同时,又能起到对空间的分割作用。近年来,由于建筑需求的增加和用于建造住宅的土地供应紧张,高层建筑的建造成为众多开发商的首选,推动了剪力墙结构日益广泛的应用。因此为了更好的适应不断变化的经济形势,促进建筑事业的发展,有必要加强剪力墙结构设计的应用,以提高剪力墙结构的综合利用率。

  1.剪力墙结构设计概述

  1.1剪力墙的分类及其受力特点

  为满足使用要求,剪力墙常开有门窗洞口。理论分析和试验表明:剪力墙的工作特点和分类与其所开洞孔的大小和数量有关。剪力墙按受力特性的不同可分为整体墙、小开口整体墙、联肢墙和壁式框架(如图1)。不同类型的剪力墙,其截面应力分布也不相同,计算其内力和位移时则需采用相应的计算方法。

  (a)整体墙 (b)整体小开口墙 (c)双肢墙 (d)整式框架

  图1剪力墙分类示意图

  (1)整体墙:无孔洞或孔洞很小的剪力墙称为整体墙,其受力特点如同竖向悬臂梁。在水平荷载作用下,当剪力墙高宽比较大时,其受弯变形后的截面仍然符合材料力学中的平截面假定,截面上的正应力呈线性分布。

  (2)整体小开口墙:当剪力墙上所开洞孔的面积稍大时,在水平荷载作用下的这类剪力墙,其截面上的正应力分布略偏离直线分布的规律,变成相当于整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠加了墙肢的局部弯曲应力,当大部分楼层上的墙肢不出现反弯点时,称这类剪力墙为整体小开口墙[1]。

  (3)联肢墙:当剪力墙上所开的洞孔较大且连梁的刚度比墙肢的刚度小得多时,在水平荷载作用下的这类剪力墙,其连梁跨中会出现反弯点,各墙肢的单独工作能力也比较明显,可看成是若干单肢剪力墙由连梁联结起来的剪力墙。

  (4)壁式框架:剪力墙洞孔开得越大,各墙肢的独立工作能力越明显。当连梁的刚度很大,而墙肢的刚度相对较弱时,剪力墙的受力状况已接近普通框架的受力特性,其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩,在许多楼层内墙肢有反弯点。

  1.2确定剪力墙的厚度

  剪力墙厚度的大小与建筑物的层数、高度、荷载大小、截面承载力、开裂、减轻自重、轴压比的要求及施工条件等因素有关,一般根据结构的刚度和承载力要求确定。对于有抗震设防要求的剪力墙,其在底部加强区的厚度宜适当增大。剪力墙最小厚度的选用还需要保证墙体本身的稳定和施工方便[2]。在工程设计时,主要是根据经验来确定剪力墙的厚度,也可采用下列公式来估算剪力墙的厚度:

  一般剪力墙的厚度:

  按抗震等级为三、四级和非抗震设计时:

  式中为剪力墙厚度;为楼层层高或剪力墙无支承长度。

  2.剪力墙结构的设计

  2.1剪力墙的布置

  剪力墙结构中,剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置,不同方向的剪力墙宜分别联结在一起,以形成空间结构;抗震设计的剪力墙结构,应避免仅单向布置剪力墙的结构形式,并宜使两个方向抗侧刚度接近,即两个方向的自振周期宜相近。剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大,为充分利用剪力墙的能力,减轻结构自重,增大结构的可利用空间,剪力墙不宜布置得太密,使结构具有适宜的侧向刚度。

  剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大的影响,剪力墙沿高度不连续,将造成结构沿高度刚度突变。所以,剪力墙宜自下到上连续布置,避免刚度突变。允许沿高度改变墙厚和混凝土等级,或减少部分墙肢,使抗侧刚度沿高度逐渐减小。在地震区,细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,而低矮墙属剪切脆性破坏,抗震性能差,为此宜将剪力墙设计成高宽比H/B较大的墙。当剪力墙较长时,将其分成长度较为均匀的若干墙段,墙段之间宜采用弱连梁连接,每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2,且墙肢截面高度不宜大于8m。

  此外剪力墙洞口的布置,会极大地影响剪力墙的力学性能。为此规定剪力墙的门窗洞口宜上下对齐,成列布置,形成明确的墙肢和连梁,其应力分布比较规则,又与当前普遍应用的计算简图较为符合,设计结果安全可靠

  2.2梁端部弯矩的设计

  剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大,而平面外刚度及承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时,会造成墙肢平面外弯矩,而一般情况下并不验算墙的平面外刚度及承载力。应控制剪力墙平面外的弯矩,当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时,且梁截面高度大于墙厚时,可采用以下措施减小梁端部弯矩对墙的不利影响:沿梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙,以抵抗该墙肢平面外弯矩;当不能设置与梁轴线方向相连的剪力墙时,宜在墙与梁相交处设置扶壁柱;扶壁柱宜按计算确定截面及配筋;当不能设置扶壁柱时,应在墙与梁相交处设置暗柱,并宜按计算确定配筋;当与剪力墙相连的楼面梁为钢梁时,剪力墙内宜设置型钢,钢梁应与型钢连接[3]。

  除了加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力以外,还可采取减小梁端弯矩的措施。对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接,减小墙肢平面外的弯矩。铰接端或半刚接端可通过弯矩调幅或梁变截面来实现,此时应相应加大梁跨中弯矩。

  2.3抗震结构设计

  剪力墙结构的一个结构单元中,当有少量长度大于8rn的大墙肢时,计算中楼层剪力主要由这些大墙肢承受,其他墙肢承受的剪力较小,一旦发生地震,尤其高烈度地震时,大墙肢容易首先遭受破坏,而小的墙肢的承载力有限,使整个结构的各墙肢可能被各个击破,这对结构是极为不利的。同时,细高的剪力墙(高宽比大于2)容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏。因此较长的剪力墙宜开设洞口,将其分成长度较为均匀的若干墙段,墙段之间宜采用弱连梁(跨高比宜大于6的连梁)连接,每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2。独立墙段宜通过设置门窗洞口或结构洞使洞口间的墙肢截面高度不宜大于8m。较短墙肢受弯产生的裂缝较小,墙体的配筋能较充分发挥作用,有利于改善结构的抗震性能。

  3.剪力墙结构设计优化

  3.1剪力墙结构设计材料优化

  剪力墙材料用量是整个结构材料用量的核心。在满足安全适用的前提下,如何减少剪力墙材料用量是结构设计师研究探讨的重要课题。剪力墙结构的设计优化也是首先从减少剪力墙结构材料的角度考虑的。

  影响剪力墙材料用量的几何因素有长度和厚度,在设计中为了保证结构为一般剪力墙结构,剪力墙的长度须按规范要求进行设置,一般不宜减短。同时,结构的刚度与剪力墙长度的三次方成正比,与厚度的一次方成正比,因此减小剪力墙截面厚度既可以有效减少材料用量,又不至于严重削弱结构的刚度。一般来说,剪力墙的设计应在满足稳定性的前提下,尽量减薄,也就是在满足刚度等要求的前提下,达到减少剪力墙材料用量节约造价的目的。

  3.2钢筋混凝土剪力墙的延性的提升

  提高钢筋混凝土剪力墙的延性,主要包括以下措施:控制钢筋混凝土剪力墙的高宽比,使其大于2,这样的剪力墙其受力性能接近于悬臂梁;采用有边缘构件的剪力墙,边缘构件的受力钢筋要有很好的锚固,在无边缘构件的剪力墙中应设置暗梁,暗柱;提高底部剪力墙的抗剪可靠度,保证剪力墙的抗弯屈服出现在抗剪破坏之前。

  4.结语

  总的来说,随着剪力墙结构设计应用范围的不断扩大,相关设计者应当加强相关理论的研究,在掌握剪力墙结构设计要点的基础上,以创新的意识和理念不断采用新技术,改进新方法,从而提高自身的设计水平,充分发挥剪力墙结构在建筑设计中的作用。这样才能真正的降低工程成本,保证建筑工程结构的经济性和安全性。

  参考文献:

  [1]薛云飞,马晓霞.谈剪力墙结构设计中的几个问题[J].陕西建筑,2013(06).

  [2]李捍文.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析[J].科技创新与应用,2012(04)(中).

  [3]孙雪兰.浅谈高层剪力墙结构的优化设计[J].山西建筑,2013,8(12):35.

  作者简介:

  吴智登(1986.4-),男(苗族),广西柳州人,本科,从事结构设计工作。

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