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1、第九讲 钢筋混凝土抗震墙设计钱稼茹 抗震墙广泛用于多层和高层钢筋混凝土房屋，2001规范规定的7种现浇钢筋混凝土房屋结构类型中，除框架结构外，其余6种结构体系都有抗震墙或抗震墙组成的筒体。抗震墙之所以是主要的抗震结构构件，是因为：抗震墙的刚度大，容易满足小震作用下结构尤其是高层建筑结构的位移限值；地震作用下抗震墙的变形小，破坏程度低；可以设计成延性抗震墙，大震时通过连梁和墙肢底部塑性鉸范围的塑性变形，耗散地震能量；与其它结构（如框架）同时使用时，抗震墙吸收大部份地震作用，降低其它结构构件的抗震要求。设防烈度较高地区（8度及以上）的高层建筑采用抗震墙，其优点更为突出。抗震墙由墙肢和连梁两种构件组
2、成。设计抗震墙应遵循强墙弱梁、强剪弱弯的原则，即连梁屈服先于墙肢屈服，连梁和墙肢应为弯曲屈服。与89规范相比，2001规范在抗震墙的设计方面、特别是在抗震构造措施方面有比较大的变化，主要有：1）底部加强部位的高度；2）墙肢截面组合的弯矩、剪力设计值和连梁组合的剪力设计值；3）分布钢筋的最小配筋率；4）增加了抗震墙的轴压比限值；5）将边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，两种边缘构件的构造不同，加强了应该加强的部位，放松了可以放松的部位，使抗震墙具有更合理的抗震性能。抗震墙轴压比限值和边缘构件方面的规定，主要是吸取了基于位移的设计方法和近年来的研究成果。2001规范取消了89规范中“弱连梁”和
3、“小墙肢”这两个术语，代之以连梁的跨高比和墙肢的长度和厚度的比值。虽然89规范对弱连梁联肢墙作了规定，但在设计中难以确定什么是弱连梁。一、 抗震墙基于位移设计方法简介 自七十年代抗震墙成为房屋建筑的主要抗侧力构件以来，抗震墙的试件采用的是基于承载力的方法。九十年代初，美国加州工程师协会（SEAOC）提出了一种抗震墙设计新方法：基于位移的设计方法。1994年美国统一建筑法规（UBC-94）采用了这一方法；UBC-97对这一方法作了改进；随后，1999年的美国混凝土建筑结构规范（ACI318-99）和2000年的国际建筑法规（IBC-2000）也采用了基于位移的方法设计抗震墙。ACI318-99的
4、设计步骤比UBC-97简单些，除了高轴压比的情况外，两者的结果基本相同；IBC-2000的设计步骤与ACI318-99基本相同。与基于承载力的设计方法（如UBC91）相比，新的设计方法放松了大部份抗震墙的构造要求。 抗震墙基于位移的设计方法的提出，始于对1985年智利地震抗震墙房屋结构震害的分析研究。智利地震中，300多幢有抗震墙的房屋建筑破坏，除了强地面运动的持续时间比较长以外，主要原因是边缘构件的构造弱、配箍少、对混凝土没有约束。分析结果还表明，有的抗震墙破坏轻微，主要是因为结构体系的刚度大、变形小。随后，进一步的研究工作集中在建立抗震墙的基于位移的设计方法。 抗震墙基于位移的设计为：以抗
5、震墙顶点最大弹塑性位移为目标位移，根据弹性和非弹性变形沿墙高度的近似分布，建立顶点位移和墙底截面曲率的关系；由墙底截面的曲率和受压区高度，得到混凝土最外缘纤维的压应变；根据约束混凝土的应力应变关系，确定需要配置箍筋的边缘构件的长度和配箍量。抗震墙实施基于位移设计的关键之一，是计算顶点弹塑性位移，即地震中抗震墙顶点可能达到的最大弹塑性位移。 UBC-97的抗震墙基于位移的设计用于3区和4区，其步骤如下：1） 计算顶点最大弹塑性位移M M=0.7RS （6.41） 最大弹塑性位移M为设计地面运动作用下抗震墙的顶点位移。设计地面运动是指50年内超越概率为10的地震地面运动，与我国的中震相当，美国3、
6、4区的地面运动的峰值加速度分别为0.3g和0.4g。 S为设计位移，即结构在设计地震力作用下的弹性顶点位移，采用静力弹性方法或反应谱振型分解法计算。计算中，考虑P效应；考虑混凝土开裂，截面的弯曲刚度和剪切刚度不超过其弹性刚度的1/2。 R为考虑抗侧力结构承载力超强和结构整体延性的一个系数。用弹性方法计算抗震墙的弹塑性顶点位移，是基于所谓“等位移原理”。大量计算分析表明，基本周期不短于0.5s的“长周期”结构，其弹塑性顶点最大位移反应与其弹性顶点位移反应接近，可以用弹性方法计算其弹塑性顶点位移；基本周期低于0.5s的“短周期”结构，其弹塑性顶点最大位移反应与结构的承载力有关，大于弹性顶点最大位移
7、反应。若计算弹性顶点位移时不考虑截面开裂，则弹塑性顶点位移可以取2M；M也可以用非线性时程分析得到。2） 计算抗震墙屈服时的顶点位移y UBC-97规定，y为抗震墙受拉纵筋屈服时的顶点位移，可以用下式计算：y= (Mn/ME ) E （6.32）式中，Mn为恒载、活载和地震作用效应（荷载分项系数分别为1.2、0.5和1.0）组合的轴力作用下抗震墙底部截面的受弯承载力；E为设计地震作用下不考虑截面开裂抗震墙弹性顶点位移；ME为顶点位移为E时墙底截面的弯矩。 3）计算抗震墙顶点位移为M时墙底截面的曲率t 抗震墙在水平力作用下的弹塑性顶点位移由屈服位移和非弹性位移组成，即：M=y+i （6.33）抗
8、震墙顶点位移为M时，墙底截面的总曲率为t，t为屈服曲率y和非弹性曲率i之和，即： t=y+I （6.34）UBC-97用下式计算墙肢的屈服曲率y： y=0.003/ lw （6.35）i与墙底截面曲率i的近似关系为：i=i lp(hw- lp/2) （6.36）因此，t为：t=y+i/ lp(hw- lp/2) （6.37） 式中，hw为抗震墙的高度；lp为抗震墙塑性鉸沿墙高度的长度。lp的取值对墙底截面的总曲率t影响很大。lp愈大，则t愈小，抗震墙可能不安全。因此，lp的长度取小一些，是偏于安全的。UBC-97取lp为抗震墙墙肢截面长度lw的1/2，即lp=0.5 lw。 4）计算抗震墙底部
9、截面的曲率为t时截面受压区高度cu 可以通过计算截面的弯矩曲率关系得到，也可以近似取截面达到受弯承载力Mn时的受压区高度。计算中，轴力取组合的设计值，计入包括端部纵筋和分布纵筋在内的所有纵筋，并假设受拉区纵筋全部受拉屈服、受压区纵筋全部受压屈服。 5）计算底部截面混凝土最大压应变max max =t cu （6.38） UBC97规定，max不大于0.015。 6) 确定端部是否需要约束边缘构件采用应变平截面分布的假定，中和轴处应变为零，受压区边缘的压应变为max。若max不超过0.003，则不需要约束边缘构件；否则，压应变超过0.003的抗震墙部份，需要设置约束边缘构件。7）约束边缘构件的构
10、造要求构造要求包4个方面：长度和高度，箍筋面积、间距，水平分布筋在约束边缘构件内的锚固，纵筋面积、搭接等。UBC97还给出了一种根据墙肢轴压比确定是否需要设置约束边缘构件、约束边缘构件长度的方法。二、 抗震墙设计的一般要求1) 抗震墙布置抗震墙是主要抗侧力构件，合理布置抗震墙是结构具有良好的整体抗震性能的基础。抗震墙的布置除应对称、均匀、连续外，还要注意以下几点。 长墙分成墙段抗震墙结构和部分框支抗震墙结构，若内纵墙很长，且连梁的跨高比小、刚度大，则墙的整体性好，在水平地震作用下，墙的剪切变形较大，墙肢的破坏高度可能超过底部加强部位的高度。2001规范规定（6.1.9条1款），将长墙分成长度较
11、均匀的墙段，墙段的高宽比大于2。墙段由墙肢和连梁组成。89规范也有相同的规定（第6.1.13条）。区别在于：连接墙段的连梁，89规范为“弱连梁”，2001规范为跨高比不小于6的连梁。目的是设置刚度和承载力比较小的连梁，地震作用下有可能先开裂、屈服，使墙段成为抗震单元，且墙段以弯曲变形为主。 避免墙肢长度突变抗震墙结构和部分框支抗震墙结构的墙肢截面长度，沿高度不宜有突变；抗震墙的洞口比较大时，以及一、二级抗震墙的底部加强部位，不宜有错洞墙。）框支层刚度要求部分框支抗震墙结构框支层的抗震墙减小，侧向刚度降低，地震中有可能变形集中在框支层，框支层是结构具有良好抗震性能的关键。对于矩形平面的部分框支抗
12、震墙结构，为了避免框支层形成薄弱层或软弱层，2001规范规定（6.1.9条3款）框支层的侧向刚度不应小于上一层非框支层侧向刚度的50。取消了89规范框支层落地墙数量的规定。 框支层落地墙间距不宜过大框支层的水平地震剪力主要由落地抗震墙承担。作用在与框支层相邻的上一层不落地抗震墙上的水平力，通过框支层楼板传到落地墙。为保证楼板有足够大的平面内刚度传递水平力，2001规范规定，落地墙的间距不宜大于14m（6.1.9条3款）。取消了89规范落地墙间距不宜大于四开间的规定；还取消了落地墙之间楼盖长宽比的规定。89规范和2001规范对框支层楼板提出了具体的设计要求（附录E.1）。一部份落地墙宜设置成筒体
13、，以增大抗扭刚度和抗侧刚度。 框架抗震墙结构的抗震墙布置框架抗震墙结构布置的关键是抗震墙的数量和位置。抗震墙的数量以满足刚度即层间位移限值为宜；位置可以灵活布置，但宜符合以下要求（6.1.8条，6.1.5条）：沿房屋高度，抗震墙宜连续布置，贯通全高，避免切断，洞口宜上下对齐，避免墙肢截面长度突变；不宜开大洞口，避免削弱抗震墙的刚度，取消了89规范洞口面积的限制；洞边距柱端不宜小于300mm，以保证端柱作为边缘构件的作用以及保证约束边缘构件的长度；两个方向都布置抗震墙，纵横向抗震墙相连，成为有翼缘的抗震墙，不但可以加大刚度，还有利于提高塑性变形能力；房屋较长时，刚度较大的纵向墙不宜设置在房屋的端
14、开间，以避免温度应力对抗震墙的不利影响；一、二级抗震墙的洞口连梁，跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm，连梁有比较大的刚度，使墙的整体性较好；柱中线与墙中线、梁中线与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4，以减小地震作用对柱的扭转效应；偏心距超过1/4柱宽时，应采取有效措施，如加强柱的箍筋、采用水平加腋梁等。2）抗震墙、连梁截面尺寸2001规范与89规范相同，对抗震墙和连梁的截面尺寸有最大剪压比限值的要求，对抗震墙还有最小墙厚的要求，但具体数值与89规范并不完全相同。 剪压比限值2001规范规定，剪跨比大于2的抗震墙和跨高比大于2.5的连梁，其剪压比不应大于0.20；剪跨比不大于2
15、的抗震墙和跨高比不大于2.5的连梁，89规范没有规定剪压比限值， 2001规范规定剪压比不应大于0.15（6.2.9条），原因是剪跨比小的墙和连梁，其剪切变形较大，甚至以剪切变形为主，对剪压比的要求应更严。试验研究表明，墙、梁截面的剪压比超过一定值时，将过早出现斜裂缝，采用增加水平筋和箍筋的方法并不能提高其受剪承载力，很可能在水平筋和箍筋尚未屈服的情况下，混凝土在剪压的共同作用下破碎。墙、梁若不满足剪压比限值的要求，可以提高混凝土强度等级或加厚墙、梁，或加长墙的截面，但不宜加高连梁。计算抗震墙墙肢的剪跨比时，弯矩和剪力都取荷载效应组合的计算值；楼层上下端截面的弯矩计算值不同时（反弯点不在层高的1/2处，或反弯点不在本层层高内），取弯矩大的值。 抗震墙最小厚度为防止抗震墙在轴力和地震水平力作用下发生
