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剪刀墙 编辑

剪刀墙(又称:剪力墙)是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构。

基本定义


剪刀墙,在专业术语上称为剪力墙。是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。

现浇钢筋混凝土墙,主要承受水平地震荷载,这样的水平荷载对墙、柱产生一种水平剪切力,剪力墙结构由纵横方向的墙体组成抗侧向力体系。它的刚度很大,空间整体好,房间内不外露梁、柱楞角,便于室内布置,方便实用。剪力墙结构有较好的抗震性能,其不足之处是结构自重大。预应力剪力墙结构常可以做到大空间住宅布局,剪力墙结构形式是高层住宅采用最为广泛的一种结构形式。

布置原则


底框架结构中的剪力墙既是承担竖向荷载的主要构件,更是承担水平力的主要构件,在地震中起第一道 防线作用,因此在设计时要考虑底部剪力墙承担100%的水平地震作用,而框架只承担小部分的地震力作为安全储备。震害观测表明,底框砖房在地震时底层将发生变形集中,会出现过大的侧移而严重破坏甚至倒塌。有鉴于此,新规范在近十几年各地试验研究的基础上,对底框架结构剪力墙的布置做出了更科学的调整。

首先抗震墙间距要满足最大横墙间距限制,6、7、8度设防区最大横墙间距分别为21m、18m、和1 5m。

其次,剪力墙应沿2个主轴方向都有布置,使之形成直角以更好地发挥抗震作用。

另外要克服矫枉过正的偏见,有些设计人员认为既然底框结构底层薄弱就多布置一点剪力墙越强越好,实际上是走向另一个极端。剪力墙的设置应与上部砌体结构相协调,抗震设计的原则 是沿楼层间侧移刚度应均匀变化 ,而不允许各层间发生突变。

使用材料


规范中规定6、7度且总层数不超过5层的底框房屋,应允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙砌体抗震墙适用于总层数少、柱距较小、平面规整的建筑,它造价低,施工方便。但无率是在使用上或抗震上,还是采用混凝土墙好。计算其在相同高度和截面尺寸下的刚底之比,先假设它们同为整体墙(开小洞口),由整体墙截面的等效抗弯刚底公式:

EIeq=EIw/1+9ulw/Awh)

式中,E为剪力墙弹性模量;I为考虑洞口影响后的水平截面惯性矩;U为截面上剪 应力不均匀系数,矩形截面取1.2;Aw为考虑洞口影响后的水平截面折算面积;H为剪力墙计算。

因Iw\AwH仅与墙的几何尺寸相关,由假设可知混凝土剪力墙与砖剪力墙的上述参数相等过样它们的刚度比就成为材料弹性模量之比。由《混凝土的结构设计规范》(GB50010-2002)表4.1.5可得,C30混凝土的弹性模量Ec=3×10Mpa.由《砌体结构设计规范》(GB50003-2002)表3.2.1-1得Mu10砖、M10砂浆砌体的抗辰强度f=1.89Mpa。所以同一位置相同几何条件的混凝土剪力墙与砖剪力墙的刚度之比i=EC/Em=3×10/3024=9.92。经验算这一结果对于几何条件相同的小开口墙和连肢墙同样适用。因此相同条件下C30混凝土墙刚度相当于Mu10砖、M10砂浆砖墙的9.92倍,由此可见采用混凝土墙可大减少底层剪力墙的数量,经笔者总结多个底框工程实例经验,常规底框结构设计时既符合抗震,又较经济合理的混凝土剪力墙截面积大约占上层砖混结构同方向墙截面积的5%~10%,而要达到同样要求所需的砖砌体剪力墙则远远大于这个比例,所以采用混凝土墙可使底层开间布置更加灵活,可利用空间更大。由于用量少,总造价也仅比砖砌体剪力体系,使结构遇地震时延性增大,避免了出现脆性破坏的概率。现在新规范已经缩小了6、7度时采用砖剪 力墙范围,并对底层砖剪力墙的构造做出了专门规定,因此应尽量选用混凝土剪力墙。

布置方式


框剪结构剪力墙布置有8字方针,即“周边,均匀对称,相交”底框结构中山墙一般要布置剪力墙,因为只在每个住宅单元楼梯间两侧布置混凝土毅力墙的底框结构是不宜采用的。

相关试验表明,加大底层空旷房屋两端平面刚度,对底层框架端部竖向位移进行控制,可有效增加底层杠架的安全储备,但尽管如此布置也并不全周边,中间还需要很多剪力墙。因此底框结构8字方针可概括为竖直,均匀,对称,相效“,所谓竖直就是在布置底层剪力墙时应尽量对应上部上下竖直、中间不间断的墙体,否则即使底层布置的剪力墙刚度再大,若竖向无对应的上部墙体,不仅传力途径不直接,且上下层刚心相距较远,地震时上部墙体与底层剪力墙间会形成很大扭矩,极易破坏。

另外,布置底层剪力墙时要避开上部墙体洞口,若具体执行时实在难以避开,(例如楼梯间入户门等),那么应采取在上部洞口两侧增加构造柱等加强措施,以更好地传递地震力。对个别剪力墙未能与上层砖墙对应者,应设法加大底层与二层转换层之间楼板的平面内刚度例如楼板加厚,配筋率增加,双向双层配筋等。相交主要是指剪力墙应尽量布置成L形和T形,以使它们相互支撑,增大每片单肢墙的平面外刚度,增强抗扭性。

具体设计时剪力墙的长度、开洞等均需通过计算确定。剪力墙的计算长度确定后、应将实墙面布置在两端中间用洞口分隔,避免采用一端有剪力墙而另一端为独立柱的方式。总之混凝土剪力墙具体布置时宜开设洞口形成若干墙段,并保证各墙段高宽比不小于2。

施工顺序


底框架结构中底层墙体并不全是剪力墙,也有一部分是用于分割空间的填充墙。一般当为混凝土剪力墙时,其区分非常明确,混凝土剪力墙以外的砖墙均为真充墙体,施工时混凝土剪力墙与框架柱同时浇筑,而填充墙应待混凝土与框架柱达到设计强度,甚至主体完工后再施工;但当底层剪力墙采用嵌砌于杠架柱间的砖墙时区分就不明确了,需设计人员出图说明。剪 力墙和填充墙施工顺序不一致,砌体剪力墙必须与其周边混凝土杠架形成整体,才能充分发挥其抗侧力作用。为保证与周边混凝土框架紧密结合,应先砌墙后浇框架柱,砌墙时要预留马牙槎,预埋锚拉筋,且框架梁直接坐于墙顶,不需再支底模;而填充墙的施工时间则要晚得多,一般是在主体完工时后砌,墙顶预留二三皮砖,待沉实后再斜砖及砂浆填充。

计算方法


底框结构上下层侧向刚度比是有方向性的,一般只计算主轴方向的侧向刚度比。对矫形布置的规则结构,其主轴方向即为互相垂直的X和Y向,现在常用的底框计算软件中国建筑科学研究开发PKPM程序底框计算也只给出X向和Y向侧向刚度比,这就给两主轴不下交或L形、T形建筑的侧向刚度比难处带来一定的横墙来计算刚度比,这样从电脑的计算结果看K0和K90(0°和90°方向的刚度比)满足要求了,实际上局部单肢的K0°和K90°远远不能满足上述问题表面上是程序本身的问题但实质上是计算模型错误。当前一些设计人员只重视上机计算而忽视基础理论的学习,电脑程序必须建立在正确的计算模型上,这是计算结果正确的技术前提。因此在输入计算机前必须认真分析结构的特性,首先建立一个模型,并仔细阅读计算机设计软件的编制原理、使用说明及技术条件与本工程相后才能正确使用计算机运算,准确辨析计算结果的正误。L形建筑正确的计算机运算,单肢计算时适当考虑另一肢的影响,这样才能防止两肢互相干扰从而得出正确的结论,至于双主轴不下交的建筑,在输机前宜先用手算。

通过以上5个问题的分析,可得出以下结论:(1)首先应满足规范对剪力墙布置中强制性条文要求,台间距;双主轴均布等(2)应尽可能采用混凝土剪力墙;(3)布置时遵循“竖直,均匀,对称,相交“的8个字方针;(4)施工时必须区分剪力墙与填充墙;(5)不规则平面布局的剪力墙电算时应根据具体问题具体分析。

结构要点


整体规定

A级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度:

全部落地剪力墙——非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时,分别为150、140、120、100、60m

部分框支剪力墙——非抗震、6度、7度、8度抗震时,分别为130、120、100、80m,9度抗震时不宜采用

A级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度:

6度、7度、8度抗震时,将本地区设防烈度提高一级后,按乙类、丙类建筑采用,9度抗震时,应专门研究 。

B级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度:

全部落地剪力墙——非抗震、6度、7度、8度抗震时,分别为180、170、150、130m 。

部分框支剪力墙——非抗震、6度、7度、8度抗震时,分别为150、140、120、100m 。

B级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度:

6度、7度抗震时,按本地区设防烈度提高一级后,按乙类、丙类建筑采用,8度抗震时,应专门研究。

最大高宽比

A级高度——非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时,分别为6、6、6、5、4

B级高度——非抗震、6度、7度、8度抗震时,分别为8、7、7、6

竖向规则检查侧向刚度:

除顶层外,局部收进的水平向尺寸 ≤ 相邻下一层的25%

楼层承载力:A级高度——抗侧力结构的层间受剪承载力 (宜)≥ 相邻上一层的80%

薄弱层抗侧力结构的受剪承载力 (应)≥ 相邻上一层的65%

B级高度——抗侧力结构的层间受剪承载力 (应)≥ 相邻上一层的75%

竖向连续:竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力不得由水平转换构件(梁等)向下传递

水平位移验算多遇地震作用下的最大层间位移角 ≤ 罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角 ≤ 1/120

舒适度要求

高度超过150m的高层建筑,按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的最大加速度限值为:住宅、公寓 0.15 m/s2,办公、旅馆 0.25 m/s2

伸缩缝

1. 最大间距:现浇 45m,装配 65m

2. 可适当放宽最大间距的条件:

① 顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率

② 顶层加强保温隔热措施,外墙设置外保温层

③ 每隔30~40m留出后浇带,带宽800~1000mm,钢筋采用搭接接头,后浇带砼两个月之后浇灌

④ 顶部楼层改用刚度较小的结构形式,或顶部设局部温度缝,将结构划分为长度较短的区段

⑤ 采用收缩较小的水泥,减少水泥用量,砼中加入适宜的外加剂

⑥ 提高每层楼板的构造配筋率,或采用部分预应力混凝土

防震缝

1. 最小宽度:按框架结构的50%取用,但不宜小于70mm。框架结构防震缝最小宽度规定为:高度≤15m的部分,70mm;超过15m的部分,6度、7度、8度、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m,缝宽加宽20mm。

2. 缝两侧结构体系不同时,按不利情况确定,缝两侧房屋高度不同时,按较低房屋高度确定。

3. 缝沿房屋全高设置,地下室和基础可不设,但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接。

4. 相邻结构基础存在较大沉降差时,宜加宽防震缝

墙体布置

宜双向布置,尤其是抗震时应避免单向布置

门窗洞口宜上下对齐,成列布置。一、二、三级抗震时,底部加强部位不宜采用错洞墙,且所有部位不宜采用叠合错洞墙

墙肢长度不宜超过8m,且墙段总高与墙肢高度之比应大于2。当墙肢较长时宜开设洞口,各墙段间设置弱连梁应避免楼面梁垂直支承在无翼墙的剪力墙的端部。

截面设计

构件截面长边与短边之比大于4时,宜按墙的要求进行设计(《砼规》10.5.1)

矩形截面独立墙肢的长度与厚度之比不宜小于5 ,当其比值小于5时——其在重力荷载代表值作用下的轴压比限值,当一、二级抗震时,应较正常墙肢的相应值减0.1,三级抗震时为0.6 ,当其比值不大于3时——宜按框架柱进行设计,但纵向钢筋的最小配筋率不变,且箍筋宜沿全高加密。

截面厚度

一、二级抗震时,底部加强部位 ≥ 其他部位 ≥ (《砼规》11.7.9 / 1)补充:当墙端无端柱或翼墙时,≥ 层高的1/12 。 三、四级抗震时,底部加强部位 ≥

其他部位 ≥ 非抗震时,≥ 当不能满足上述要求时,应进行墙体的稳定计算(高规附录D, 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160mm。 截面尺寸还应符合受剪要求 , 剪力墙的厚度不宜小于楼层高度的1/25(《砼规》10.5.2)

轴压比限值

一般剪力墙 底部加强部位——三级抗震无规定、二级抗震0.6、一级(7、8度)抗震0.5、一级(9度)抗震0.4

其他部位——无规定

短肢剪力墙 各部位统一规定为三级抗震0.7、二级抗震0.6、一级抗震0.5,一字形墙应各降低0.1

砼强度等级

≥C20,带筒体和短肢剪力墙的结构≥C25

截面配筋

竖向和水平钢筋不应单排设置:截面厚度hw ≤ 400 时,可双排配筋; 400 ≤ 截面厚度hw ≤ 700 时,宜三排配筋; 截面厚度hw ≥ 700 时,宜四排配筋。

短肢剪力墙的全部纵向配筋率——底部加强部位 ≥ 1.2% ;其他部位 ≥ 1.0%。

端部纵筋

墙肢每端的竖向钢筋不宜少于4φ12或2φ16,该处对应的拉筋直径不小于6mm(间距250mm)(《砼规》10.5.8)

非抗震设计时,剪力墙端部构造配置不少于4φ12的纵筋,沿纵筋配置不少于直径6mm、间距250mm的拉筋(《高规》7.2.17/5)————同上条

纵筋搭接长度:≥ laE 和 la(抗震和非抗震)

竖向和水平分布钢筋

一般剪力墙:

最小配筋率: 一、二、三级抗震时,0.25% ;四级和非抗震设计时,0.20%

间距:≤ 300mm;直径:≥ 8mm,但 ≤ 墙肢厚度的1/10

以下特殊部位的剪力墙的分布钢筋应加强,最小配筋率不应小于0.25%,间距不应大于200mm

房屋顶层剪力墙 长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙 端开间的纵向剪力墙 端山墙

温度、收缩应力较大的部位,剪力墙水平和竖向分布钢筋应适当加强(《砼规》10.5.9)

水平分布钢筋搭接

搭接接头间距:同排水平分布筋搭接接头之间的水平净距 ≥ 500mm ,上、下相邻水平分布筋搭接接头之间的垂直净距 ≥ 500mm ,搭接长度:≥ 1.2 laE 和 1.2 la(抗震和非抗震)。 竖向分布钢筋搭接,搭接接头间距:可在同一高度搭接,搭接长度:≥ 1.2 laE 和 1.2 la(抗震和非抗震)。

拉筋

间距不应大于600mm,直径不应小于6mm(一般取为φ6@600)

底部加强部位,约束边缘构件以外的拉筋间距应适当加密(一般取为φ6@400)

构造边缘构件阴影区域内拉筋的水平间距不应大于纵向钢筋间距的2倍(《砼规》11.7.16)

边缘构件

约束边缘构件的设置范围:一、二级抗震的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部

构造边缘构件的设置范围:一、二级抗震的剪力墙其他部位的墙肢端部,三、四级和非抗震设计的剪力墙全部部位的墙肢端部 , 在设置约束边缘构件的范围内,若墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比小于下述的规定值,可按构造边缘构件设置(《抗震规范》6.4.6/1)(《砼规》11.7.4)—— 一级抗震(9度)0.1、一级抗震(8度)0.2、二级抗震0.3 。

功能


由于剪力墙内配有钢筋;和砖造墙相比,可以抵抗地震所形成的水平力。

剪力墙结构抗震能力好于框架结构,框架结构的抗震能力好于砖混结构。 


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