結(jié)構(gòu)選型4-剪力墻結(jié)構(gòu)

交通學(xué)院路橋工程系2012-09建筑結(jié)構(gòu)選型

——剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻的概念剪力墻是一種抵抗豎向荷載引起的軸向作用和風(fēng)、地震等水平荷載引起的剪切、彎曲作用的結(jié)構(gòu)單元。4.1剪力墻結(jié)構(gòu)的概念4.1.1概述①剪力墻是建筑物的承重墻，同時(shí)也是圍護(hù)墻和分隔墻，因此，剪力墻的布置必須滿(mǎn)足建筑平面布置和結(jié)構(gòu)布置的要求。②剪力墻有較強(qiáng)的承載能力，同時(shí)也具有很好的整體性和空間作用，因此，剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件用于高層建筑。③受剪力墻間距的限制，建筑物的平面開(kāi)間布置不靈活，所以用于旅館、公寓住宅等建筑較為適宜。剪力墻，一般為剛度較大的鋼筋混凝土的墻片。此墻片在水平力作用下的工作猶如懸臂的深梁。這種墻片為整個(gè)房屋提供很大的抗剪強(qiáng)度和剛度，所以一般稱(chēng)這種墻片為“抗剪墻”或“剪力墻”。隨著房屋高度的增加，所需的抗側(cè)力剛度也相應(yīng)增長(zhǎng)。為了滿(mǎn)足高層房屋對(duì)剛度的要求，必須運(yùn)用”剪力墻”組成的新型結(jié)構(gòu)體系。

框架－剪力墻結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部份剪力墻，框架與剪力墻協(xié)同受力，剪力墻承擔(dān)絕大部份水平力，框架則以承擔(dān)豎向荷載為主。 鋼筋砼框-剪結(jié)構(gòu)高度一般為80～130m裙房為框架剪力墻結(jié)構(gòu)框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造主樓鋼筋砼剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)體系：框架－剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)。

廣 州 中 信 大 廈

高391m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，

1997年建成，由一幢80層的商業(yè)大 樓和兩幢38層的酒店式公寓組成， 集寫(xiě)字樓、公寓、商場(chǎng)、會(huì)所于一 體的甲級(jí)綜合智能型大廈。

地上33層、地下1層，高106.6m，采用鋼筋砼剪力墻結(jié)構(gòu)，是我國(guó)第一座超過(guò)100m的高層建筑。

剪力墻結(jié)構(gòu)

當(dāng)房屋的層數(shù)更高時(shí)，橫向水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用，采用縱橫布置的剪力墻承受全部水平荷載和豎向荷載顯然更趨合理。

廣州白云賓館剪力墻結(jié)構(gòu)因其空間分隔固定，建筑布置極不靈活，一般用于高層住宅，賓館等建筑

北京兆龍飯店

地上22層，高度71.8m，是典型的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)

高層建筑中常遇到：底部需要大開(kāi)間開(kāi)設(shè)商店宜采用框架結(jié)構(gòu)；上部用于住宅或?qū)懽謽且瞬捎眉袅Y(jié)構(gòu)。這時(shí)需設(shè)置巨形的轉(zhuǎn)換層將兩種結(jié)構(gòu)組合在一起，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層因接近一個(gè)層高，常做成設(shè)備層，因其上部剛度大、下部剛度較弱，對(duì)抗震設(shè)防不利，在抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)慎用中央核心筒式端核心筒式外筒式

筒體結(jié)構(gòu)

利用房屋四周墻體組成一個(gè)或多個(gè)封閉筒體作為主要抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)，適用于超高層建筑結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)可分為框筒體系、筒中筒體系、桁筒體系和成束筒體系

上 海 金 茂 大 廈

高420m，地上88層、地下4

層。利用鋼筋砼作核心筒，外框 架則為鋼骨砼柱和鋼柱、鋼梁組 合的混合結(jié)構(gòu)。1998年建成，是 典型的框筒結(jié)構(gòu)。3.7筒體結(jié)構(gòu)

廣東國(guó)際大廈

高200.18m，地上63層、地下4層。外筒為31.1×37m的矩形平面，典型的鋼筋砼筒中筒結(jié)構(gòu)，6層以上樓板采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板，1990年建成。是世界上應(yīng)用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓板最多、高度最高的建筑。

3.7筒體結(jié)構(gòu)

美國(guó)世界貿(mào)易中心

由兩座方柱形塔樓組成，邊長(zhǎng)均為63.5m。北樓高417m，南樓高415m，均為地上110層、地下六層，全鋼結(jié)構(gòu)。是典型的筒中筒結(jié)構(gòu)，1973年建成。 3.7筒體結(jié)構(gòu)

香港中銀大廈

平面為52×52m的正方形，72層，高319m，上部結(jié)構(gòu)為4個(gè)巨形三角形桁架，斜腹桿為鋼結(jié)構(gòu)，豎桿為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，巨形桁架支承在底部三層高的巨大鋼筋砼框架上，由4根巨形柱將全部荷載傳至基礎(chǔ)。是典型的桁架筒結(jié)構(gòu)，1990年建成。

這可是著名華裔 建筑師貝聿銘的 設(shè)計(jì)作品

美 國(guó) 西 爾 斯 大 廈

高443m，共110層，建筑面積41.38萬(wàn)平方米。標(biāo)準(zhǔn)層為九個(gè)23m×23m成束筒結(jié)構(gòu)。全鋼結(jié)構(gòu)，1974年建于芝加哥。3.7筒體結(jié)構(gòu)4.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系的類(lèi)型、特點(diǎn)和適用范圍4.2.1剪力墻的分類(lèi)1、按施工工藝分(1)大?，F(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系；(2)滑模現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系；(3)全裝配大板結(jié)構(gòu)體系；(4)內(nèi)澆外掛剪力墻結(jié)構(gòu)體系。2、按剪力墻的整體性

（墻體開(kāi)洞大?。?1)整體剪力墻(2)整體小開(kāi)口剪力墻(3)聯(lián)肢剪力墻(4)壁式框架(5)框支剪力墻(6)錯(cuò)洞剪力墻(7)帶小墻肢的剪力墻根據(jù)洞口的有無(wú)、大小、形狀和位置等，可劃分為以下幾類(lèi)：

整截面墻聯(lián)肢墻壁式框架整體小開(kāi)口墻2、按剪力墻的整體性1）整截面墻

幾何判定：（1）剪力墻無(wú)洞口；（2）有洞口，墻面洞口面積不大于墻面總面積的16%，且洞口間的凈距及洞口至墻邊的距離均大于洞口長(zhǎng)邊尺寸。受力特點(diǎn)：可視為上端自由、下端固定的豎向懸臂構(gòu)件。

整截面墻2）整體小開(kāi)口墻幾何判定：（1）洞口稍大一些，且洞口沿豎向成列布置，（2）洞口面積超過(guò)墻面總面積的16%，但洞口對(duì)剪力墻的受力影響仍較小。受力特點(diǎn)：在水平荷載下，由于洞口的存在，墻肢中已出現(xiàn)局部彎曲，其截面應(yīng)力可認(rèn)為由墻體的整體彎曲和局部彎曲二者疊加組成，截面變形仍接近于整截面墻。

整體小開(kāi)口墻3）聯(lián)肢墻：

幾何判定：沿豎向開(kāi)有一列或多列較大的洞口，可以簡(jiǎn)化為若干個(gè)單肢剪力墻或墻肢與一系列連梁聯(lián)結(jié)起來(lái)組成。

受力特點(diǎn)：連梁對(duì)墻肢有一定的約束作用，墻肢局部彎矩較大，整個(gè)截面正應(yīng)力已不再呈直線分布。

聯(lián)肢剪力墻

4）壁式框架：幾何判定：當(dāng)剪力墻成列布置的洞口很大，且洞口較寬，墻肢寬度相對(duì)較小，連梁的剛度接近或大于墻肢的剛度。受力特點(diǎn)：與框架結(jié)構(gòu)相類(lèi)似。壁式框架(6)錯(cuò)洞剪力墻(7)帶小墻肢的剪力墻(5)框支剪力墻4.2.2剪力墻體系的特點(diǎn)1、剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)(1)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(mǎn)足，適于建造較高的建筑；(2)集承重、抗風(fēng)、抗震、圍護(hù)與分隔為一體，合理利用材料；(3)抗震性能好，具有承受強(qiáng)烈地震裂而不易倒的良好性能；(4)用鋼量較??；(5)與框架結(jié)構(gòu)體系相比，施工相對(duì)簡(jiǎn)便與快速。2、剪力墻結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)(1)墻體較密，平面布置和空間利用受限，難滿(mǎn)足大空間要求；(2)自重大，抗側(cè)剛度較大，自振周期短，產(chǎn)生較大的地震作用。4.2.3剪力墻結(jié)構(gòu)體系的適用范圍剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)于需要很多隔墻的高層住宅公寓及高層旅館的標(biāo)準(zhǔn)層十分適用。為了適應(yīng)下部設(shè)置大空間公共設(shè)施的高層住宅、公寓和旅館建筑的需要，可以使用框支剪力墻體系，即在底層或1～3層把部分剪力墻改換為框架，其余剪力墻仍落至基礎(chǔ)，使與其相接層次的剛度不發(fā)生太大的突變。4.3剪力墻的形狀和位置4.3.1剪力墻的形狀除截面為一字形的以外，常將剪力墻結(jié)合建筑分隔或?qū)ｉT(mén)從受力角度考慮，設(shè)計(jì)為L(zhǎng)形、Z形、T形、I形、[形以及封閉型的口形、△形、○形。4.3.2剪力墻布置的位置1、剪力墻在平面上應(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(shí)，剪力墻應(yīng)沿兩個(gè)主軸方向布置；建筑物為△形、Y形、十字形平面時(shí)，剪力墻應(yīng)沿主軸方向布置；對(duì)于○形平面，則可沿徑向布置成輻射狀。2、剪力墻片應(yīng)盡量對(duì)直拉通，否則，不能視為整體墻片。但當(dāng)兩道墻錯(cuò)開(kāi)距離d≤3bw(bw為墻厚度)時(shí)，或當(dāng)墻體在平面上為轉(zhuǎn)折形狀、其轉(zhuǎn)角α≤15°時(shí)，才可近似當(dāng)作整體平面的剪力墻對(duì)待。3、平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，墻體布置均勻，使質(zhì)量中心與剛度中心盡量接近。4、盡量避免豎向剛度突變。沿豎向宜貫通全高，墻厚度沿豎向宜逐漸減薄，在同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)宜避免錯(cuò)層及局部夾層。5、全剪力墻體系宜把剪力墻布置均衡。橫向剪力墻的間距，從經(jīng)濟(jì)考慮，不宜太密，一般不小于6～8m?？v向剪力墻一般設(shè)為二道、二道半、三道或四道。6、對(duì)有抗震要求的建筑，應(yīng)避免抗震性能不良的魚(yú)骨式的平面布置。7、當(dāng)建筑平面形狀任意時(shí)，受力復(fù)雜處，剪力墻適當(dāng)加密。8、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(shí)以能縱橫向相互連在一起為有利，這樣，對(duì)增大剪力墻剛度很有好處。9、剪力墻的平面布置有兩種方案橫墻承重方案：橫墻間距即為樓板的跨度，通常剪力墻的間距為6～8m，較經(jīng)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?jǐn)R置在縱墻上，形成縱橫墻共同承重方案。10、當(dāng)建筑使用功能要求有底層大空間時(shí)，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。11、框支剪力墻與落地剪力墻協(xié)同工作體系中，以最常見(jiàn)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(jì)時(shí)不少于30％，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不少于50％。12、落地剪力墻的間距L應(yīng)滿(mǎn)足的條件非抗震設(shè)計(jì)時(shí)：L≤3B，L≤36m(B為樓面寬度)抗震設(shè)計(jì)時(shí)：L≤2B，L≤24m(底部為1～2層框支層時(shí))13、上下層剪力墻的剛度比γ宜盡量接近于l。非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，γ不應(yīng)大于3；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，γ不應(yīng)大于2。14、框支剪力墻托梁上方的一層墻體不宜設(shè)置邊門(mén)洞，且不得在中柱上方設(shè)門(mén)洞。落地剪力墻盡量少開(kāi)窗洞，若必需開(kāi)洞時(shí)宜布置在墻體的中部。15、轉(zhuǎn)換層樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C30，并應(yīng)采用雙向上下層配筋。樓板開(kāi)洞位置盡可能遠(yuǎn)離外側(cè)邊，大空間部分的樓板不宜開(kāi)洞，與轉(zhuǎn)換層相鄰的樓板也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)16、框支梁、柱截面尺寸框支梁寬度≥2倍上層墻厚，且不小于400mm?？蛑Я焊叨龋嚎拐鹪O(shè)計(jì)，不應(yīng)小于跨度的1／6；非抗震設(shè)計(jì)，不應(yīng)小于跨度的1／8，框支柱的截面寬度宜與梁寬相等，也可比梁寬度大50?？蛑е孛娓叨龋翰灰诵∮诹嚎缍鹊?／15；抗震設(shè)計(jì)，不宜小于450mm。17、框支梁、柱的混凝土等級(jí)均不應(yīng)低于C30。4.4剪力墻的主要構(gòu)造4.4.1剪力墻的材料要求剪力墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20；剪力墻的配筋：墻厚度<200mm，可單層配筋；墻厚≥200mm，應(yīng)兩層配筋。山墻及相鄰第一道內(nèi)橫墻、樓梯間或電梯間墻及內(nèi)縱墻雙層配筋4.4.2剪力墻的厚度要求一、二級(jí)抗震等級(jí)，墻厚≥1／20（層高），且≥160mm；三、四級(jí)和非抗震設(shè)計(jì)，≥1／25（層高），且≥160mm有邊框即嵌在框架梁柱間時(shí)，墻厚≥墻體凈高的l／30，且≥120mm。4.4.3剪力墻所適應(yīng)的最大高度和高寬比最大適應(yīng)高度和高寬比應(yīng)分為A級(jí)和B級(jí)(B級(jí)高度的高層建筑結(jié)構(gòu)的最大適用高度和高寬比可較A級(jí)適當(dāng)放寬，其結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)、有關(guān)構(gòu)造措施應(yīng)按規(guī)范規(guī)定相應(yīng)嚴(yán)格)。

A級(jí)高度翦力墻建筑結(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(jì)抗震設(shè)防烈度6度7度8度9度全部落地剪力墻15014012010060部分框支剪力應(yīng)采用4.4.4剪力墻墻體上開(kāi)洞的基本要求(1)如由于建筑使用功能要求而上下洞口不能對(duì)齊成列而需要錯(cuò)開(kāi)時(shí)，應(yīng)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2002)的規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力分析及截面配筋設(shè)計(jì)。對(duì)于錯(cuò)洞墻工程實(shí)踐中常采取下列措施：①一般錯(cuò)洞墻當(dāng)必須采用錯(cuò)洞墻時(shí)，洞口錯(cuò)開(kāi)距離不宜小于2m，如圖所示②疊合錯(cuò)洞墻抗震設(shè)計(jì)及非抗震設(shè)計(jì)中均不宜采用疊合錯(cuò)洞墻，當(dāng)必須采用時(shí)，應(yīng)按圖所示的暗框式配筋。③底層局部錯(cuò)洞墻當(dāng)采用這種形式的剪力墻時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)層洞口部位的豎向鋼筋應(yīng)延伸至底層，并在一、二層形成上下連續(xù)的暗柱，二層洞口下設(shè)暗梁，并加強(qiáng)配筋。底層墻截面的暗柱應(yīng)伸入二層，見(jiàn)圖所示。4.4.5框支剪力墻采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層建筑，可能在底部一層甚至三層范圍內(nèi)，因使用上要求做成大空間，迫使一些剪力墻不能全部直通到底，而由底部框架、梁柱來(lái)抬上部的剪力墻，這樣就成為框支墻了。其震害特點(diǎn)為：這種結(jié)構(gòu)在地震作用下往往由于上下剛度突變，底層框架剛度太弱、強(qiáng)度不足、側(cè)移過(guò)大、延性不足而出現(xiàn)破壞，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的震害是嚴(yán)重的。

1）框支剪力墻結(jié)構(gòu)將剪力墻結(jié)構(gòu)房屋的底層或底部幾層做成框架，這種結(jié)構(gòu)亦稱(chēng)為帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)。

2）破壞特點(diǎn)：帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)在其轉(zhuǎn)換層上、下層間側(cè)向剛度發(fā)生突變，形成柔性底層或底部，在地震作用下易遭破壞甚至倒塌。

3）布置原則：在底部大空