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1、多层与高层建筑结构设计中国石油大学建筑工程系第九章第九章 剪力墙设计与构造剪力墙设计与构造高福聚博士 副教授2024/9/51第九章 剪力墙设计与构造设计与构造概述概述剪力墙的截面设计及构造要求剪力墙的截面设计及构造要求剪力墙墙肢的构造要求剪力墙墙肢的构造要求连梁截面设计及构造要求连梁截面设计及构造要求剪力墙结构的布置要求剪力墙结构的布置要求通过本章学习，了解悬臂剪力墙抗震要点。掌握悬臂剪力墙的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。了解联肢剪力墙中的连梁、墙肢的抗震设计要点，要求。掌握联肢剪力墙的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。了解有边框剪力墙设计以及抗震要求。了解底层大空间剪力墙结构设
2、计以及抗震设计的要求，要点以及方法。2024/9/52确定剪力墙的厚度确定剪力墙的厚度剪力墙内力设计值的调整剪力墙内力设计值的调整概 述2024/9/53一、确定剪力墙的厚度一、确定剪力墙的厚度剪力墙厚度的大小与建筑物的层数、高度、荷载大小、抗侧刚度、截面承载力、平面外稳定、开裂、减轻自重、轴压比的要求及施工条件等因素有关，一般根据结构的刚度和承载力要求确定。对于有抗震设防要求的剪力墙，底部加强区的厚度宜适当增大剪力墙最小厚度的选用还需要保证墙体本身的稳定和施工方便。在工程设计时，主要是根据经验来确定剪力墙的厚度，也可采用下列公式来估算剪力墙的厚度。1保证剪力墙稳定的墙体厚度保证剪力墙稳定的墙
3、体厚度 2剪力墙厚度确定的简易公式剪力墙厚度确定的简易公式 3剪力墙稳定计算剪力墙稳定计算2024/9/54保证剪力墙稳定的墙体厚度保证剪力墙稳定的墙体厚度剪力墙的厚度bw及尺寸应满足下列最低要求： （1）按抗震等级为一、二级设计时： 一般剪力墙的厚度： bwh/20 且 bw160mm （9.1a） 底部加强部位（指墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值，且不大于15m）的墙体厚度 bwh/16 且 bw200mm （9.1b） 无端柱或翼墙的一字形剪力墙的截面厚度 bwh/15 且 bw180mm （9.1c） 底部加强部位厚度 bwh/12 （9.1d）式中bw剪力墙厚度； h楼层层高
4、或剪力墙无支承长度。 （2）按抗震等级为三、四级和非抗震设计时： 剪力墙的厚度bw及尺寸应满足下列最低要求： bwh/25 且 bw160mm （9.2a） 其底部加强部位厚度 bwh/20 且 bw160mm （9.2b） 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。因为一般剪力墙井筒内，分隔空间的墙数量多而长度不大，两端嵌固好，为了减轻结构自重，增加筒内使用面积，墙厚可减小。 2024/9/55剪力墙厚度确定的简易公式剪力墙厚度确定的简易公式对常用的住宅、旅馆和办公楼一类较大开间（小于8m）的剪力墙，在工程设计的多方案比较阶段，设计人员可采用下列经验公式
5、快速简易地初步确定剪力墙的厚度。对小开间（小于4m）剪力墙，墙体厚度还可适当改薄。 9度设防时， bw（1415）n 且 bw160 mm （9.3a） 8度设防时， bw（1213）n 且 bw160 mm （9.3b） 7度设防和非抗震设计时， bw（1011）n 且 bw160 mm （9.3c）式中n建筑物结构总层数。 公式（9.3）中剪力墙的厚度仅是指底层处的；当要估算任意层高度处剪力墙厚度时，n可理解为所需估算墙体厚度处以上的结构总层数。公式（9.3）中的常数项上下限取值，可根据混凝土强度等级和剪力墙间距（开间）大小而定。剪力墙最小厚度应满足高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3200
6、2/J1862002的要求。 当剪力墙厚度不满足上面各式的要求时，应按下式验算剪力墙的稳定。2024/9/56剪力墙稳定计算剪力墙稳定计算剪力墙墙肢应满足下式的稳定要求：式中 q作用于墙顶的竖向均布荷载设计值； Ec剪力墙混凝土弹性模量； t剪力墙墙肢截面厚度； l0剪力墙墙肢计算长度，应按下式采用： l0h 其中h墙肢所在楼层的层高； 墙肢计算长度系数。应根据墙肢的支承条件按下列几种情况确定：2024/9/57应根据墙肢的支承条件按下列几种情况确定：（2）T形、工字形剪力墙的翼缘墙肢（三边支承）： 式中hfT形、工字形剪力墙的单侧翼缘截面高度。当计算结果小于0.25时，取0.25。（3）T形
7、剪力墙的腹板墙肢（三边支承）： 式中hwT形、工字形剪力墙的单侧翼缘截面高度。 当计算结果小于0.25时，取0.25。（4）工字形剪力墙的腹板墙肢（四边支承）： 当计算结果小于0.20时，取0.20。（1）单片独立墙肢： 1.02024/9/58二、剪力墙内力设计值的调整二、剪力墙内力设计值的调整 1剪力墙截面组合弯矩设计值的调整剪力墙截面组合弯矩设计值的调整 2强剪弱弯的剪力设计值调整强剪弱弯的剪力设计值调整 3双肢剪力墙内力设计值的调整双肢剪力墙内力设计值的调整2024/9/59剪力墙截面组合弯矩设计值的调整剪力墙截面组合弯矩设计值的调整如果完全按等效静力法确定的剪力墙弯矩图的变化配筋，塑
8、性铰就可能沿墙高任何位置发生。为了提高剪力墙的延性，以增加结构的变形能力，获得经济合理的效果，应设法使塑性铰在墙的底部产生。一级抗震等级设计的剪力墙各截面弯矩的调整如图所示。高层建筑混凝土结构技术规程JGJ32002/J1862002规定，一级抗震等级的剪力墙，应按照设计意图控制塑性铰的出现部位，在其他部位则应保证不出现塑性铰。因此，一级抗震等级的剪力墙各墙肢截面组合弯矩的设计值应按下列规定采用：1）一级抗震等级的剪力墙底部加强部位及以上一层，应按墙肢底部截面组合弯矩设计值采用。2）一级抗震等级的剪力墙其他部位，墙肢截面组合弯矩设计值应乘以增大系数，其值可采用1.2。 其他抗震等级和非抗震设计
9、的剪力墙的弯矩设计值，采用墙肢截面最不利组合的弯矩计算值。 2024/9/510强剪弱弯的剪力设计值调整强剪弱弯的剪力设计值调整抗震设计时，为了体现强剪弱弯的原则，加强一、二、三级剪力墙墙肢底部加强部位的抗剪能力，避免过早出现剪切破坏，实现强剪弱弯，剪力墙底部加强部位的剪力设计值要乘以增大系数，剪力墙底部加强区范围内的剪力设计值Vw一、二、三级抗震等级时应按下式调整，四级抗震等级及无地震作用组合时可不调整。 VwvwVw 在设防烈度为9度时，剪力墙底部加强部位尚应符合： Vw1.1式中 Mwua剪力墙底部按实配钢筋计算时，考虑承载力抗震调整系数的正截面受弯承载力值； Mw、Vw考虑地震作用组合
10、的剪力墙墙肢底部加强部位截面的弯矩设计值、剪力设计值； vw抗震墙剪力增大系数，一级为1.6，二级为1.4，三级为1.2。Vw2024/9/511双肢剪力墙内力设计值的调整双肢剪力墙内力设计值的调整对于双肢剪力墙，如果有一个墙肢出现小偏心受拉，该墙肢可能会出现水平通缝而失去抗剪能力，由荷载产生的剪力将全部转移给另一个墙肢，导致其抗剪承载力不足，因此在双肢墙中墙肢不宜出现小偏心受拉。设计中可通过调整剪力墙长度或连梁尺寸避免出现小偏心受拉的墙肢。 当墙肢出现大偏心受拉时，墙肢会出现裂缝，使其刚度降低，剪力将在两墙肢中进行重分配。由于内力重分布，剪力向无裂缝的另一个墙肢转移，使另一个墙肢内力加大为此
11、，可将另一墙肢按弹性计算的弯矩设计值和剪力设计值乘以增大系数1.25，以提高其抗剪承载力。2024/9/512第二节第二节 剪力墙截面设计及构造要求剪力墙截面设计及构造要求一、墙肢正截面抗弯承载力计算一、墙肢正截面抗弯承载力计算二、墙肢斜截面抗剪承载力计算二、墙肢斜截面抗剪承载力计算三、墙肢施工缝的抗滑移计算三、墙肢施工缝的抗滑移计算2024/9/513一、墙肢正截面抗弯承载力计算一、墙肢正截面抗弯承载力计算1 1大、小偏心受压的判别大、小偏心受压的判别2 2墙肢正截面大偏心受压承载力计算墙肢正截面大偏心受压承载力计算 3 3墙肢正截面小偏心受压承载力计算墙肢正截面小偏心受压承载力计算4 4墙
12、肢正截面大偏心受拉承载力计算墙肢正截面大偏心受拉承载力计算2024/9/514根据平截面假定，在轴力和弯矩共同作用下，墙截面应变为直线分布，因此与钢筋混凝土柱相同，可以得到平衡配筋时名义压区高度xb与截面有效高度比值：与钢筋混凝土柱相同，由b可以判断墙截面是属于大偏心受压，还是小偏心受压。大、小偏心受压的判别大、小偏心受压的判别 大、小偏心受压的判别方法与偏心受压柱相同。当b时，为大偏心受压；当b时，为小偏心受压。其中为墙肢相对受压区高度，b为墙肢相对界限受压区高度。式中1混凝土等效矩形受压区高度与中和轴高度的比值。当混凝土强度等级不大于C50时，取0.8；当为C80时，取0.74；其他情况按
13、线性内插取用； fy钢筋抗拉强度设计值； Es钢筋弹性模量。2024/9/515矩形截面墙肢大偏心受压极限应力分布 2024/9/516矩形截面墙肢小偏心受压极限应力分布 2024/9/517矩形截面墙肢大偏心受拉极限应力分布 2024/9/518二、墙肢斜截面抗剪承载力计算二、墙肢斜截面抗剪承载力计算1 1剪力墙墙肢最小截面尺寸剪力墙墙肢最小截面尺寸 2 2偏心受压剪力墙斜截面抗剪承载力计算偏心受压剪力墙斜截面抗剪承载力计算 3 3偏心受拉剪力墙斜截面抗剪承载力计算偏心受拉剪力墙斜截面抗剪承载力计算 2024/9/519剪力墙墙肢最小截面尺寸剪力墙墙肢最小截面尺寸为了避免剪力墙产生斜压破坏，
14、要限制剪压比，即混凝土截面平均剪应力与混凝土抗压强度的比值。剪力墙的剪压比值过高，会在早期出现斜裂缝，抗剪钢筋不能充分发挥作用，即使配置很多的抗剪钢筋，也会过早发生剪切斜压破坏。为此，剪力墙的截面尺寸应符合下列要求： 2024/9/520偏心受压剪力墙斜截面抗剪承载力计算偏心受压剪力墙斜截面抗剪承载力计算对偏心受压构件，轴压力有利于抗剪承载力，但当压力增大到一定程度后，对抗剪的有利作用减小，因此对轴压力的取值应加以限制。 剪力墙在偏心受压时的斜截面受剪承载力应按下列公式计算：2024/9/521偏心受拉剪力墙斜截面抗剪承载力计算偏心受拉剪力墙斜截面抗剪承载力计算 偏心受拉构件中，考虑了轴向拉力
15、的不利影响，轴力项取负值。剪力墙在偏心受拉时的斜截面受剪承载力，应按下列公式计算： 2024/9/522三、墙肢施工缝的抗滑移计算三、墙肢施工缝的抗滑移计算按一级抗震等级设计的剪力墙，要防止水平施工缝处发生滑移。考虑了摩擦力的有利影响后，验算水平施工缝处的竖向钢筋是否足以抵抗水平剪力。受剪承载力应符合下式要求：式中 Vw剪力墙施工缝处考虑地震作用组合的剪力设计值； fy竖向钢筋抗拉强度设计值； N施工缝处不利组合的轴向力设计值，压力取正值，拉力取负值； As施工缝处剪力墙的竖向分布钢筋、竖向插筋和边缘构件（不包括边缘构件以外的两侧翼墙）纵向钢筋的总截面面积。 2024/9/5231剪力墙结构的
16、混凝土强度等级剪力墙结构的混凝土强度等级2轴压比限值轴压比限值 3约束边缘构件和构造边缘构件约束边缘构件和构造边缘构件4剪力墙内水平和竖向分布钢筋的设置剪力墙内水平和竖向分布钢筋的设置 5钢筋的连接和锚固钢筋的连接和锚固 第三节第三节 剪力墙墙肢的构造要求剪力墙墙肢的构造要求2024/9/524剪力墙结构的混凝土强度等级剪力墙结构的混凝土强度等级为了保证剪力墙的承载能力、变形能力和耐久性，剪力墙混凝土的强度等级不宜太低。剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C20，筒体结构的核心筒和内筒的混凝土强度等级不低于C25，以短肢剪力墙（截面长宽比为58）为主的结构，其混凝土强度等级不应低于C25。 20
17、24/9/525轴压比限值轴压比限值当偏心受压剪力墙轴力较大时，受压区高度增大，与钢筋混凝土柱相同，其延性降低。研究表明，剪力墙的边缘构件（暗柱、明柱、翼柱）有横向钢筋的约束，可改善混凝土的受压性能，增大延性。为了保证在地震作用下的钢筋混凝土剪力墙具有足够的延性，高层建筑混凝土结构技术规程JGJ32002/J1862002规定，抗震设计时，一、二级抗震等级剪力墙的底部加强部位，在重力荷载代表值作用下的轴压比不宜超过表9.2的限值。 延性不仅与轴压比有关，而且还与截面的形状有关。在相同的轴压力作用下，带翼缘的剪力墙延性较好，一字形截面剪力墙最为不利，上述规定没有区分工字形、T形和一字形截面，因此
18、，设计时对一字形截面剪力墙墙肢的轴压比应从严掌握。2024/9/526约束边缘构件和构造边缘构件约束边缘构件和构造边缘构件（1）约束边缘构件 约束缘构件设置在一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部。约束边缘构件设计的主要措施是加大边缘构件的长度lc及其体积配箍率v，体积配箍率v由配箍特征值v计算。约束边缘构件沿墙肢方向的长度lc和箍筋配箍特征值v宜符合表9.3的要求 2024/9/527（2）构造边缘构件 2024/9/5282024/9/529剪力墙内水平和竖向分布钢筋的设置剪力墙内水平和竖向分布钢筋的设置 （1）剪力墙截面分布钢筋的最小配筋率 （2）剪力墙分布钢筋配筋方式
19、 2024/9/530钢筋的连接和锚固钢筋的连接和锚固非抗震设计时，剪力墙要求的钢筋锚固长度为la，抗震设计时，剪力墙要求的钢筋锚固长度为laE。 剪力墙水平和竖向分布钢筋的搭接连接如图所示。 一、二级抗震等级剪力墙的加强部位，接头位置应错开，每次连接的钢筋数量不宜超过总数量的50，错开的净距不宜小于500mm；其他情况剪力墙的钢筋可在同一部位连接。非抗震设计时，分布钢筋的搭接长度不应小于1.2la；抗震设计时，不应小于1.2laE。暗柱及端柱内纵向钢筋连接和锚固要求宜与框架柱相同。2024/9/531连梁最小截面尺寸连梁最小截面尺寸 连梁截面承载力计算连梁截面承载力计算 连梁弯矩设计值的调幅
20、连梁弯矩设计值的调幅连梁的构造要求连梁的构造要求 第四节第四节 连梁截面设计及构造要求连梁截面设计及构造要求2024/9/532连梁最小截面尺寸连梁最小截面尺寸连梁对剪力墙结构的抗震性能有较大的影响。研究表明，若连梁截面的平均剪应力过大，箍筋就不能充分发挥作用，连梁就会发生剪切破坏，尤其是在连梁跨高比较小的情况下。为此应限制连梁截面的平均剪应力。为了避免连梁中斜裂缝过早出现，体现强剪弱弯，连梁截面尺寸应符合下列要求： 2024/9/533连梁的剪力设计值应按下列规定计算：2024/9/534连梁截面承载力计算连梁截面承载力计算1连梁正截面受弯承载力连梁正截面受弯承载力 2连梁斜截面受剪承载力计
21、算连梁斜截面受剪承载力计算 2024/9/535连梁弯矩设计值的调幅连梁弯矩设计值的调幅 为了使连梁弯曲屈服，应降低连梁的弯矩设计值，方法是弯矩调幅。抗震剪力墙中的连梁可以进行塑性调幅，以改善其延性，同时也容易实现强墙弱梁的设计目标。一般是调整弯矩较大的一些连梁，当部分连梁降低弯矩设计值后，其余连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高，以满足平衡条件。 连梁的调幅要求如图所示。连梁调幅后的弯矩设计值不应低于风荷载作用所得的弯矩设计值，或不低于比设防烈度低一度的地震作用时计算所得的弯矩设计值，且不应小于调幅前弯矩的0.8倍（设防烈度6 7度）或0.55倍（设防烈度89度）。2024/9/536连梁的构造
22、要求连梁的构造要求 纵向受力钢筋伸入墙内的锚固长度纵向受力钢筋伸入墙内的锚固长度斜向交叉构造钢筋斜向交叉构造钢筋 连梁全长箍筋的构造要求连梁全长箍筋的构造要求 连梁的腰筋配置连梁的腰筋配置 剪力墙墙面和连梁开洞时的构造要求剪力墙墙面和连梁开洞时的构造要求 2024/9/537纵向受力钢筋伸入墙内的锚固长度纵向受力钢筋伸入墙内的锚固长度连梁顶面、底面纵向受力钢筋伸入墙内的锚固长度，抗震设计时不应小于laE；非抗震设计时不应小于la，且伸入墙内长度不应小于600mm。 在顶层连梁纵向钢筋伸入墙体的长度范围内，应配置间距不大于150mm的构造箍筋，构造箍筋直径与该连梁的箍筋直径相同。2024/9/5
23、38斜向交叉构造钢筋斜向交叉构造钢筋一、二级抗震等级剪力墙，当跨高比不大于2，且墙厚不小于200mm的连梁，除普通箍筋外宜另设斜向交叉构造钢筋；跨高比不大于1的连梁，应采用交叉暗斜撑配筋。图9.10所示为交叉斜撑构造。为防止斜筋压屈，必须用矩形箍筋或螺旋箍筋与斜向交叉钢筋绑在一起，成为交叉斜撑。试验研究表明，连梁内配置交叉斜撑，连梁的剪力由交叉斜撑承担，可以有效地改善小跨高比连梁的抗剪性能，这种连梁延性很好。配置交叉斜撑的连梁厚度不能小于300mm。连梁交叉斜撑的钢筋面积由剪力形成的拉、压力计算确定；斜撑内至少有4根纵向钢筋，钢筋直径不应小于14mm。用箍筋时，两端设置箍筋加密区，其长度不小于
24、600mm及梁截面厚度的2倍，箍筋间距不大于100mm；非加密区箍筋间距不大于200mm及梁截面宽度的一半。2024/9/539连梁全长箍筋的构造要求连梁全长箍筋的构造要求抗震剪力墙中，沿连梁全长箍筋的构造要求应按框架梁梁端加密区箍筋构造要求采用；非抗震设计时，沿连梁全长箍筋直径不应小于6mm，间距不大于100mm。 连梁的腰筋配置连梁的腰筋配置墙体水平分布钢筋应作为连梁的腰筋在连梁范围内拉通连续配置。当连梁截面高度大于700mm时，其两侧面沿梁高范围设置的纵向构造钢筋（腰筋）的直径不应小于10mm，间距不应大于200mm；对跨高比不大于2.5的连梁，梁两侧的纵向构造钢筋（腰筋）的面积配筋率不
25、低于0.3%。 2024/9/540剪力墙墙面和连梁开洞时的构造要求剪力墙墙面和连梁开洞时的构造要求 2024/9/5412024/9/5421 1双向布置剪力墙及抗侧刚度双向布置剪力墙及抗侧刚度 2 2竖向刚度宜均匀竖向刚度宜均匀 3 3墙肢高宽比墙肢高宽比 4 4剪力墙洞口的布置剪力墙洞口的布置5 5剪力墙加强部位剪力墙加强部位6 6短肢剪力墙设计要求短肢剪力墙设计要求7 7梁的布置与剪力墙平面外弯矩的关系梁的布置与剪力墙平面外弯矩的关系 第五节第五节 剪力墙结构的布置要求剪力墙结构的布置要求2024/9/543墙肢高宽比墙肢高宽比2024/9/5442024/9/545水平荷载作用下纵向
26、钢筋切断点2024/9/5462024/9/547思 考 题1剪力墙结构的布置有哪些具体要求？2什么是剪力墙的加强部位？加强部位的范围如何确定？3剪力墙的弯矩和剪力为什么要进行调整？哪些部位需要调整以及如何进行调整？4剪力墙的截面承载力计算与一般偏心受力构件的截面承载力计算有何异同？5为什么要规定剪力墙的轴压比限制？6什么是剪力墙的约束边缘构件、构造边缘构件？什么情况下需设置约束边缘构件？什么情况下需设置构造边缘构件？7剪力墙约束边缘构件的设计计算应符合哪些要求？8剪力墙构造边缘构件的设计计算应符合哪些要求？9剪力墙的分布钢筋配置有哪些构造要求？10跨高比对连梁的性能有什么影响？11为什么要对连梁的剪力进行调整？如何调整？12连梁的配筋构造主要有哪些？2024/9/548
