論剪力墻的力學(xué)原理

1、剪力墻摘要：剪力墻是房屋或構(gòu)筑物中主要承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載的墻體。它的內(nèi)容包含剪力墻的概念和結(jié)構(gòu)效能；剪力墻結(jié)構(gòu)體系的類型、特點和適用范圍；剪力墻的分類；剪力墻的布置原則；剪力墻的主要構(gòu)造要求；剪力墻所適應(yīng)的最大高度和高寬比；關(guān)鍵詞：剪力墻、效果、圖像、適用范圍、比值剪力墻（shear wall）：房屋或構(gòu)筑物中主要承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載的墻體。防止結(jié)構(gòu)剪切破壞。又稱抗風(fēng)墻或抗震墻、結(jié)構(gòu)墻。分平面剪力墻和筒體剪力墻。平面剪力墻用于鋼筋混泥土框架結(jié)構(gòu)、升板結(jié)構(gòu)、無梁樓蓋體系中。為增加結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及抗倒塌能力，在某些部位可現(xiàn)澆或預(yù)制裝配鋼筋混凝土剪力墻。現(xiàn)澆剪力墻與周

2、邊梁、柱同時澆筑，整體性好。筒體剪力墻用于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和懸吊結(jié)構(gòu)中，由電梯間、樓梯間、設(shè)備及輔助用房的間隔墻圍成，筒壁均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體，其剛度和強(qiáng)度較平面剪力墻高可承受較大的水平荷載。是一種典型的豎向構(gòu)件。剪力墻如下所示： 圖 剪力墻剪力墻的概念和結(jié)構(gòu)效能剪力墻，即為剛度較大的，一般是鋼筋混凝土的墻片。此墻片在水平力作用下的工作猶如懸臂的深梁。由于深梁的抗彎慣性矩大，其抗側(cè)剛度比框架柱大大提高，抗剪強(qiáng)度也大得多。這種墻可為整個房屋提供很大的抗剪強(qiáng)度和剛度，所以一般稱這種墻片為“抗剪墻“或“剪力墻”。當(dāng)房屋層數(shù)更多或高寬比更大時，骨架式框架結(jié)構(gòu)的梁、柱截面將增大到不經(jīng)濟(jì)甚至不合理的地

3、步。因為框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下表現(xiàn)出“抗側(cè)力剛度小、水平位移大”的柔性特點，框架對水平荷載的動力反應(yīng)特別敏感，故風(fēng)荷載或地震作用成為高層房屋設(shè)計中的決定因素。因此，當(dāng)房屋向更高層發(fā)展時，解決問題的正確途徑，應(yīng)該是對高層建筑從提高抗側(cè)力剛度方面著手，而提高抗側(cè)力剛度的有效措施，就是在房屋中設(shè)置一些墻片。層數(shù)很多的框架，意味著房屋的高寬比很大。這時，水平荷載對框架的威脅很嚴(yán)重不僅使到框架的彎矩會強(qiáng)大，而且，柱子負(fù)擔(dān)的軸向力和剪力也很大，尤其是底層柱子的軸向力和剪力更是大得驚人。從力的平衡關(guān)系看，因為房屋很高水平荷載產(chǎn)生的傾覆力偶將很大，柱子要抵抗這個傾覆力偶就很吃力。柱子以很有限的截面尺才去承擔(dān)

4、那么大的軸向力和剪力就顯得不容易對付。剪力墻結(jié)構(gòu)體系的類型、特點和適用范圍剪力墻結(jié)構(gòu)體系的類型：（純）剪力墻結(jié)構(gòu)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)框架在水平荷載作用下的內(nèi)力圖 設(shè)置墻片 水平作用下的墻片框支剪力墻結(jié)構(gòu)簡體結(jié)構(gòu)剪力墻的特點剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點：l 結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)抗側(cè)剛度大，側(cè)向變形小，在承載力方面的要求易得到滿足，適于建造較高的建筑。l 集承重、抗風(fēng)、抗震、圍護(hù)與分隔為一體，經(jīng)濟(jì)合理地利用了結(jié)構(gòu)材料；l 抗震性能好，具有承受強(qiáng)烈地層裂而不倒的良好性能；l 用鋼量較??；l 與框架結(jié)構(gòu)體系相比施工相對簡便與快速。l 剪力培結(jié)構(gòu)體系的缺點：l 墻體較密，使建筑平面布置和空間利用受到限制，較難滿足大空間建筑

5、功能的要求l 結(jié)構(gòu)自重較大，加上抗側(cè)剛度較大，結(jié)構(gòu)自振周期較短，導(dǎo)致較大的地震作用。適用范圍l 關(guān)于基礎(chǔ)平面圖：底板下降處（如電梯間、水箱間、廁所水房的集水坑）應(yīng)畫詳圖，小集水坑如400X400X300可將板消弱，不必單獨處理。應(yīng)注意兩個集水坑可能集中在一起或離墻較近處的集水坑可能坡出墻面。注意集水坑的蓋板高度應(yīng)與地面等高（廁所水房常墊起來）?？繅μ幖討?yīng)畫兩個剖面，下降處底板斜坡應(yīng)注角度，宜注角度，不注坡長，剖面只畫構(gòu)造，配筋同底板筋。應(yīng)將大部分鋼筋拉通，僅大房間附加鋼筋（包括上下鐵），附加筋應(yīng)標(biāo)出作用范圍，如從12軸到14軸。底板鋼筋上鐵向下錨固，錨固長度為從墻邊錨入15d。下鐵考慮承受

6、一定的彎距，向上錨固40d。外側(cè)墻體鋼筋的錨固：錨入板底，直段長度200。注明暗柱錨入底板的長度，為施工方便，可加200的直段。門洞口下的暗梁取值：寬度=墻厚+2倍底板的h0，窗洞口下取窗底至基底和門下暗梁的較小值?；A(chǔ)出挑板的分布筋應(yīng)改為直徑12或14，不采用通長筋。電梯底座不落地時，板厚應(yīng)取300，鋼筋應(yīng)留余量，一般可取14150?；A(chǔ)底板出挑時，窗井處應(yīng)認(rèn)為已經(jīng)出挑，非窗井處做挑板，可出挑1至1.2m. l 應(yīng)避免將大梁穿過較大房間，在住宅中嚴(yán)禁梁穿房間。l 高層剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)窗下墻改為填充墻時，周期可延長并節(jié)約造價。 l 關(guān)于洞口連梁：以下處應(yīng)注意：1人防內(nèi)的廁所、水房等，由于使用要求

7、一般要墊起來，故此處洞口要抬高增大，造成其上連梁與一般梁不同。2剪刀梯入口處連梁，由于休息平臺板的做法一般只有20厚，比一般樓板處較薄，此處連梁應(yīng)按休息平臺的標(biāo)高考慮。3躍層、樓梯間出屋面處洞口一般要抬高，其上下連梁不同。4首層有窗井處因窗井采光的要求可能將其上的陽臺及洞口抬高，造成上、下的連梁不同。5其他有門檻處上下連梁不同于一般連梁。 l 連梁配筋可取各層一致，當(dāng)超筋時可采?。?.將連梁斷面減小，按普通梁計算。2.將連梁的剛度折減系數(shù)調(diào)低，適當(dāng)增大墻體配筋。3.將連梁配筋配至最大配筋，并用其能承受的剪力計算彎距和縱筋。4.長寬比小于2的連梁能承受的最大剪力取值較低，宜避免使用。 l 關(guān)于墻

8、體： 小墻肢的長度不宜小于3b，并按柱子配筋，軸壓比小于0.6。大于4b的墻肢按剪力墻計算和配筋。 長度大于8米的墻體應(yīng)開施工洞，并用磚砌堵。兩戶以后可能打通的墻體應(yīng)開洞預(yù)留。陽臺門聯(lián)窗下的墻體應(yīng)采用輕體墻砌筑。 關(guān)于墻體的暗柱：盡量暗柱是暗柱，墻是墻，不采用大暗柱，暗柱相疊也沒關(guān)系。注明暗柱縱筋的連接方式。 一級剪力墻應(yīng)驗算水平施工縫的抗滑移。當(dāng)?shù)叵麻_洞（窗井處）和地上開洞錯開時，應(yīng)加暗框架，在地面處加通長的連梁，起到托梁的作用。并且適當(dāng)考慮兩個洞口的連梁按一個大洞口計算，最底下的連梁要能承受五層左右的錯洞墻肢垂直作用力。 墻體分布筋，地上部分和地下部分墻水平筋均在外。洞口錯開時，應(yīng)將連梁錨

9、入暗柱內(nèi)，作成暗框架。 l 屋頂退臺內(nèi)收，而內(nèi)收的墻體下面并無剪力墻，可采?。喝缬袟l件，做上反梁，否則采用輕墻直接作用在板上。上層加梁來承受頂板荷載。 l 用SATWE軟件計算時，長寬比小于4的墻肢按異型柱輸入，或忽略小墻肢的配筋。長高比大于4的連梁按普通梁輸入。 l 說明剪力墻的加強(qiáng)區(qū)范圍。說明剪力墻的拉筋為6600，加強(qiáng)區(qū)為6400。l 人防通風(fēng)井上應(yīng)有蓋板。 l 廚廁間樓板上的通風(fēng)洞，從一層頂板處開始留，一直穿出屋面。廁所通風(fēng)洞為350X650，廚房為450X750，在樓板洞邊加角鋼，通風(fēng)洞管塊架在角鋼上，一層托一層。剪力墻的分類l 大?，F(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)件系l 滑模現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系l 全

10、裝配大板結(jié)構(gòu)休系l 內(nèi)澆外掛剪力墻結(jié)構(gòu)體系l 在我國目前已建成的高層剪力墻建筑中，高層住宅占絕大多數(shù)，上述4種施工工藝中，大?，F(xiàn)繞剪力墻結(jié)構(gòu)體系的施工工藝及機(jī)械設(shè)備相對較簡單，又有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，比較適合我國國情有很好的發(fā)展前景。據(jù)統(tǒng)計，北京、上海、天津的高層剪力墻住宅中，大模體系已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，北京對內(nèi)澆外掛體系應(yīng)用比較多。結(jié)構(gòu)體系選擇l 主要考慮因素 建筑物高度-結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與抗震性能 建筑物用途-建筑平面布置，空間利用要求 高層的控制因素 水平荷載和剛度而不是豎向荷載和強(qiáng)度 抗側(cè)移能力 磚混結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)框剪結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)框筒結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)成束筒結(jié)構(gòu)巨型框架結(jié)構(gòu)剪力墻的布置原則l 剪

11、力墻在平面上應(yīng)沿建筑物主軸方向布置 當(dāng)建筑物為矩形、T形和L形平面時，剪力墻應(yīng)沿兩個主軸方向布置；建筑物為形、Y形、十字形平面時，剪力墻應(yīng)沿三個或四個主軸方向布置，形平面，則沿徑向布置成輻射狀l 剪力墻片應(yīng)盡量對直拉通，否則不能視為整體墻片。但當(dāng)兩道墻錯開距離d3bw(bw為墻厚度）時；或當(dāng)墻體在平面上為轉(zhuǎn)折形狀，其轉(zhuǎn)角a15度時才可近似當(dāng)作整體平面剪力墻對待。l 剪力墻結(jié)構(gòu)的平面形狀力求簡單、規(guī)則對稱，墻體布置力求均勻，使質(zhì)量中心與剛度中心盡量接近。l 剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免豎向剛度突變，墻體沿豎向宜貫通全高，墻厚度沿堅向宜逐漸減薄，在同結(jié)構(gòu)單元內(nèi)宜避免錯層及局部夾層。l 全剪力墻體系從剪力墻

12、布置均衡來考慮，在民用建筑中，一般橫墻短而數(shù)量多，縱墻長而數(shù)量少因此，縱橫向剪力墻的布置需適應(yīng)這個特點。橫向剪力墻的問距，從經(jīng)濟(jì)考慮，不宜太密， 一般不小于68m。縱向剪力墻 一般設(shè)為二道、二道半、三道或四道縱向剪力墻布置圖對抗震要求的建筑，應(yīng)避免抗震性能不良的魚骨式的平面布置當(dāng)建筑平面形狀任意時，在受力復(fù)雜處，剪力墻應(yīng)適當(dāng)加密魚骨式剪力墻平面布置圖 在受力復(fù)雜處加密剪力墻l 剪力墻宜設(shè)于建筑物兩端、樓梯間、電梯間及平面剛度有變化處，同時以能縱橫向相互連在一起為有利，這樣，對增大剪力墻剛度很有好處。l 剪力地的平面布置有兩種力案橫墻承重方案：橫墻間距即為樓板的跨度通常剪力墻的間距為68m較為經(jīng)

13、濟(jì)。 縱橫墻共同承重方案：樓板支承在進(jìn)深大梁和橫向剪力墻上，而大梁又捆置在縱墻上，形成縱橫墻共同承重方案。在實際工程中以橫墻承重方案居多數(shù)，有時也采用縱橫墻共同承重的結(jié)構(gòu)方案l 當(dāng)建筑使用功能要求有底層大空間時，可以使用框支剪力墻，但一般均應(yīng)有落地剪力墻協(xié)同工作。l 框支剪力墻與落地剪力墻協(xié)同工作體系中，以最常見的矩形建筑平面為例，落地橫向剪力墻數(shù)量占全部橫向剪力墻數(shù)量之百分比率：非抗震設(shè)計時不少于30，抗震設(shè)計時不少于50。l 落地剪力墻的間距L應(yīng)滿足的條件非抗震設(shè)計時：L3B，L36m(B為樓面覓度)抗震設(shè)計時：L2BL24m(底部為12層框支層時)l 上下剪力墻的剛度比r宜盡量接近于1。

14、非抗震設(shè)計時，r不應(yīng)大于3，抗震設(shè)汁時，r不應(yīng)大于2。l 框支剪力墻托梁上方的一層墻體不宜設(shè)置邊門洞，旦不得在中柱上方設(shè)門洞。落地剪力墻盡量少開窗洞，若必需開洞時立布置在墻體的中部.l 轉(zhuǎn)換層樓板混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C30，并應(yīng)采用雙向上下層配筋。樓板開洞位置盡可能遠(yuǎn)離外側(cè)邊，大空間部分的樓板不宜開洞，與轉(zhuǎn)換層相鄰的樓板也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。l 框支梁、柱截面尺寸框支梁寬度不宜小于上層墻體厚度的2倍，且小于400mm。框支梁高度：當(dāng)進(jìn)行抗震設(shè)計時不應(yīng)小于跨度的16；進(jìn)行非抗震設(shè)計時小應(yīng)小于跨度的18，也可采用加腋梁。框支柱的截面寬度宜與粱寬相等，也可比梁寬度大50；非抗震設(shè)計時框支柱的截面寬度不宜小

15、于400mm，框支柱截面高度不宜小于梁跨度的1/15；進(jìn)行抗震設(shè)計時框支柱的截面寬度不宜小于450mm，框支柱截面高度不宜小于梁跨度的112，柱凈高與截面長邊尺寸之比宜大4l 框支梁、柱的混凝土等級均不應(yīng)低于C30。l 對于底層大空間，上層魚骨式剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)建筑總高度不超過50m，抗震烈度為78度時，縱橫方向的落地剪力墻與框支剪力墻宜采用圖所示的平面布置方式。圖(a)表示在一個結(jié)構(gòu)單元(般不宜超過60m)中落地剪力墻縱橫向集中為筒體，布置在結(jié)構(gòu)單元的兩端；圖(b)表示當(dāng)結(jié)構(gòu)單元較長時，可在中部加一道落地剪力墻如結(jié)構(gòu)單元再加長時，如圖所示那樣在中間設(shè)一個落地筒體。剪力墻的主要構(gòu)造要求l 剪力墻

16、的材料現(xiàn)澆鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20l 剪力墻的厚度按一級抗震等級設(shè)計時不應(yīng)小于樓層高度的1/20， 且不應(yīng)小于160mm；按二、三、四級抗震等級和非抗震設(shè)計時不應(yīng)小于樓層高度的1/25，且不應(yīng)小于 140mm。有邊框時，剪力墻的厚度不應(yīng)小于墻體凈高的1/30 ，且不應(yīng)小于 120mm ；無邊框時，剪力墻的厚度不應(yīng)小于樓層高度的1/25，且不應(yīng)小于 140mm。 l 剪力墻的配筋剪力墻厚度<200mm時，可單層配筋。剪力墻厚度>=200mm時，應(yīng)雙層配筋。山墻及相鄰第一道內(nèi)橫墻，樓梯間或電梯間墻及內(nèi)縱墻等都應(yīng)雙層配筋。剪力墻所適應(yīng)的最大高度和高寬比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大適應(yīng)高度和高寬比應(yīng)分為A級和B級A級、B級高度鋼筋混凝土乙類和丙類高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系適用的最大高度分別于表A級高度剪力墻建筑結(jié)構(gòu)體系適用的最大高度（m）結(jié)構(gòu)體系非抗震設(shè)計抗