剪力墙结构、截面尺寸选择

剪力墙结构、截面尺寸选择
剪力墙的截面尺寸按下列要求确定：
(1) 按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200 mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160 mm。当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时，其底部加强部位截面厚度不应小于层高的1/12；其他部位不应小于层高的1/15，且不应小于180 mm。
(2) 按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160 mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160 mm。
(3) 非抗震设计的剪力墙，其截面厚度不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160 mm。
(4) 剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160 mm。
(5) 墙肢高厚比为5～8 的短肢剪力墙厚度不应小于200 mm。
4.4.2 剪力墙结构的布置原则
剪力墙结构是利用建筑物墙体作为建筑物的竖向承载体系，并用它抵抗水平力的一种结构体系。其侧向刚度大，整体性好，用钢量较省，缺点是自重大。剪力墙间距一般为3 m～5 m。平面布置的灵活性受到限制。由于其良好的抗侧性、整体性和抗震性能，可以建造较高的建筑物。剪力墙的布置原则为：
(1) 剪力墙结构中全部竖向力和水平力都由剪力墙承受。所以一般应沿建筑物的主要轴线双向布置。特别是在抗震结构中，应避免仅单向有墙的结构布置形式，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。
(2) 剪力墙应尽量拉通对直，以增加抗震能力。门窗洞口上下各层对齐，形成明确的墙肢和连梁，使受力明确，计算简单。在抗震结构中，应尽量避免出现错洞剪力墙和叠合错洞墙。叠合错洞墙的特点是洞口错开距离很小，甚至叠合，不仅墙肢不规则，而且还在洞口之间形成薄弱部位，对抗震尤为不利。
(3) 剪力墙沿竖向应贯通建筑物全高。剪力墙沿竖向改变时，允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度逐渐减小，避免各层刚度突变，造成应力集中。
(4) 剪力墙要避免洞口与墙边，洞口与洞口之间形成小墙肢。小墙肢宽度不宜小于三倍墙厚(否则应按框架柱设计)，并用暗柱加强。
(5) 较长的剪力墙宜开设洞口，将其分为均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，墙长较小时，受弯产生的裂缝宽度较小，墙体配筋能够充分的发挥作用，因此墙肢截面高度不宜大于8 m。
(6) 高层建筑不应采用全部为短肢剪力墙的结构形式，短肢墙应尽可能设置翼缘。在短肢剪力墙较多时，应布置筒体(或一般剪力墙)，以形成共同抵抗水平力的剪力墙结构。
(7) 控制剪力墙平面外弯矩，应采取增加与沿梁轴线方向的垂直墙肢，或增加壁柱、柱等方式，来减少梁端部弯矩对墙的不利影响。对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接，减小墙肢平面外弯矩。
(8) 不宜将楼面主梁直接支承在剪力墙之间的连梁上。因为一方面主梁端部约束达不到要求，连梁没有抗扭刚度去抵抗平面外弯矩；另一方面对连梁本身不利，连梁本身剪切应变较大，容易出现裂缝，因此应尽量避免。
4.4.3 剪力墙的分类与受力特点
1. 关于剪力墙结构的基本假定
剪力墙结构体系建筑是由一系列纵向和横向剪力墙及楼盖组成的空间结构。剪力墙承受竖向和水平荷载作用。在竖向荷载作用下，各片剪力墙受力分析比较简单，但在水平荷载作用下则不同，为简化计算，作以下基本假定：
(1) 各片剪力墙在其自身平面内刚度极大，而在其平面外刚度极小，可以忽略不计。这样就可以把纵横向剪力墙布置的空间结构简化为平面结构处理。同时，也可考虑纵横墙的共同工作，即纵墙的一部分可以作为横墙的有效翼缘，横墙的一部分也可以作为纵墙的有效翼缘。在承载力计算中，剪力墙的翼缘宽度可取剪力墙的间距、门窗洞间翼墙的宽度、剪力墙厚度加两侧各6倍翼墙厚度、剪力墙墙肢总高度的1/10 四者中的最小值。
(2) 楼盖在其自身平面内的抗弯刚度视为“无限大”，因此在水平荷载作用下，只产生刚体运动，并把水平荷载分配给各片剪力墙，而不发生水平方向的弯曲变形；而在平面外，由于刚度很小，可忽略不计。按此假定，当结构不发生扭转时，各片剪力墙在水平荷载作用下侧向位移相等。这样，整个建筑上所承受的水平荷载就可以按各片剪力墙的等效抗弯刚度的大小，按比例进行分配，然后进行内力及位移计算。·
(3) 等效抗弯刚度是指按剪力墙顶点侧移相等的原则考虑弯曲变形和剪切变形后，折算为竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。对于沿竖向刚度比较均匀的结构，各片剪力墙可以按下式之一计算其等效刚度。均布荷载、倒三角形荷载、顶点集中荷载。
2. 剪力墙的分类和受力特点为
(1) 一般剪力墙的墙肢截面高度u h 和厚度u b 之比大于8；短肢剪力墙的墙肢高度与厚度之比为5～8。
(2) 一般剪力墙根据墙面开洞大小情况，分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。它们的受力特点如下：
① 整截面剪力墙。当剪力墙不开门窗洞口或虽开有洞口，但洞口很小时(洞口面积不大于剪力墙总面积的15%、且洞口净矩及洞口至墙边的净距都大于洞口长边的尺寸)，把其看作整截面墙(如图4.21(a)所示)。此时，它们的受力性能犹如一悬臂杆，截面上的正应力仍符合平截面假定，在墙肢的高度上，弯矩图既不发生突变也不出现反弯点，变形曲线以弯曲型为主。
② 整体小开洞墙。当剪力墙上的门窗洞口沿竖向成列布置，洞口的总面积虽超过了墙总面积的15%，但总的说来洞口仍很小时，称其为整体小开口墙(如图4.21(b)所示)。它在荷载作用下，在连梁处的墙肢弯矩图有突变，但在整个墙肢的高度上，没有或仅在个别楼层中才出现反弯点，整个剪力墙的变形曲线仍以弯曲型为主。
③ 双肢剪力墙。此类剪力墙上的门窗洞口尺寸较大(如图4.21(c)所示)，则整个剪力墙截面上的正应力已不再成直线分布，其变形曲线与整体小开口墙相近，仍以弯曲变形为主。
④ 壁式框架。当剪力墙具有多列洞口，且洞口尺寸较大，特别是当洞口上连梁的线刚度大于或接近于洞口侧边墙肢的线刚度时，则剪力墙的受力性能已接近于框架，宜按带刚域的“壁式框架”进行设计(如图4.21(d)所示)。此时，在水平荷载作用下其柱的弯矩图不仅在楼层处有突变，而且在大多数的楼层中都出现反弯点，整个框架的变形以剪切型为主。
(3) 剪力墙的墙肢截面高度w h 与厚度w b 之比小于5时，称为小墙肢。其中，当之比 ≤3时，宜按框架柱进行截面设计。
4.4.4 剪力墙的内力和位移计算
目前已普遍采用电算来对剪力墙结构的内力进行计算。对不同的结构，设计人员可以
根据结构实际受力状态选择与之相近的计算模型软件进行结构分析。当采用有限元模型时，
应在复杂变化处合理地选择和划分单元；当采用杆件模型时，宜采用施工洞和计算洞进行
适当的模型化处理后进行整体计算，并应在此基础上进行局部补充验算。
为便于对剪力墙的受力性能有更深的了解，下面仅对整截面剪力墙和整截面小开口墙
的内力和位移计算进行介绍，而双肢剪力墙和壁式框架的内力和位移计算可以参考其他相
关书籍。
1. 整截面墙的内力和位移计算
1) 内力计算
在水平荷载作用下，整截面墙可视为上端自由，下端固定的竖向悬臂梁构件(如图4.22所示)。在侧向荷载作用下的墙肢截面内的正应力分布为线性分布。截面变形后可保持平截面，因此其内力可采用材料力学公式进行计算。
2) 位移和等效刚度
整截面墙的侧移，即墙顶部的水平位移可按材料力学公式进行计算。由于剪力墙的截面高度大，在计算位移时，应考虑弯曲变形，并同时考虑剪切变形的影响。其顶部位移公式为：将顶部位移公式代入前面的等效刚度有关公式，则可得到整截面墙的等效刚度计算公式为：为简化计算，《高层建筑混凝土结构技术规程》将上述三式写成统一公式，并以G=0.4E代入，可得到整截面墙的等效刚度计算公式为：引入等效刚度EI eq ，可把剪切变形与弯曲变形综合成弯曲变形的表达形式，则顶部位移公式可进一步写成下列形式
2. 整体小开口墙的内力和位移计算
试验研究和平面有限元法分析表明：剪力墙洞口较小的整体小开口墙，其截面的应力分布基本上接近于直线，截面变形后大体上仍然保持平截面，洞口对整截面工作性能影响较小。整个墙在绕组合截面形心轴产生整体弯曲的同时，各墙肢还绕各自截面形心轴产生局部弯曲，局部弯曲弯矩一般不超过总弯矩的15%，且沿墙肢竖向不出现反弯点。因此，其内力可仍按材料力学公式计算。再考虑局部弯曲的影响稍作修正。
1) 内力计算
先将整体小开口墙视为一个上端自由、下端固定的竖向悬臂构件，如图4.23 所示。计算出标高z处(第i 楼层)截面的总弯矩i M 和总剪力i V ，再进行计算各墙肢的内力。
(1) 墙肢的弯矩。
(2) 墙肢的剪力。
(3) 墙肢的轴力。由于局部弯曲并不在各墙肢中产生轴力，故各墙肢的轴力等于整体弯曲在各墙肢中所产生正应力的合力；当剪力墙符合整体小开口墙的条件而又有个别细小墙肢时，细小墙肢会产生显著的局部弯曲，使墙肢弯矩增大。此时，细小墙肢截面弯矩宜再附加一个局部弯矩；
2) 位移和等效刚度
试验及有限元分析表明：由于洞口的削弱影响，整体小开口墙的位移比按材料力学计算的位移增大20%左右。其考虑弯曲和剪切变形后的顶点位移公式仍可按整截面剪力墙的简化计算公式计算。