34剪力墙布置及模型调整方法
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34剪力墙布置及模型调整方法
剪力墙布置及模型调整方法；1、结构布置；应遵循均匀、分散、对称和周边的原则，剪力墙应沿房；1.1结构中间部位布置剪力墙的原则；建筑专业为满足使用功能需要而对结构梁布置有诸多限；念所不许的，应在此原则下布置因设置楼面梁所需的剪；恒荷载较大处以及楼（电）梯处所设置的剪力墙；结构中间部位布置剪力墙时在遵循上述两原则的基础上；1.2结构周边部位布置剪力墙的原则；周边
剪力墙布置及模型调整方法 1、结构布置应遵循均匀、分散、对称和周边的原则，剪力墙应沿房屋纵横两个方向布置，在满足位移限值的情况下尽量少布墙。剪力墙应设置成“L”、“T”、“U”、“工”、“十”形，尽量不要设“一”形墙。在竖向布置上剪力墙应贯通房屋全高，使结构上下刚度连续、均匀。1.1 结构中间部位布置剪力墙的原则建筑专业为满足使用功能需要而对结构梁布置有诸多限制。结构人员在拿到建筑图时应首先考虑梁布置，应避免主次梁关系过于复杂情况的出现。如果主次梁关系过于复杂，次梁念所不许的，应在此原则下布置因设置楼面梁所需的剪力墙。恒荷载较大处以及楼（电）梯处所设置的剪力墙。由于楼面开洞及楼梯构件的影响，楼（电）梯间处是结构的薄弱环节，同时楼梯间也是地震等情况下建筑物唯一的逃生通道，因此在楼（电）梯间四周能布置剪力墙的地方应全布置上剪力墙，既可以作为薄弱环节的加强，也可以形成筒体，为结构提供竖向刚度。结构中间部位布置剪力墙时在遵循上述两原则的基础上，还应做到尽量的少布墙，这主要是对为楼面梁布置所设置的剪力墙而言，中部布置剪力墙过多，结构抗扭转刚度相对较小，第一振型下的扭转周期就相对较大，不利于周期比的调整。中间部位剪力墙的布置是结构布置的关键，要做到数量少和位置均匀两点，最主要的就是从梁布置方案出发，分析出最合理的梁布置方案，也就得出了最合理的中部剪力墙布置方案。1.2 结构周边部位布置剪力墙的原则周边部位剪力墙可以为结构提供竖向刚度，以减小结构位移，也可以提高结构的抗扭转刚度，减小扭转周期。在周边剪力墙的布置时，在结构周边，建筑允许设墙的位置应尽量布置剪力墙。与周边剪力墙相连的另一方向肢的长度应在满足建筑使用功能的前提下根据结构位移计算需要而增减。1.3 在不违反规范前提下应尽量布置长墙从经济性考虑，结构剪力墙布置若短而多，则剪力墙暗柱数量也会很多，如果设置长墙，减少一些不必要的墙或者开洞，这样剪力墙暗柱数量少，在墙数量相同的情况下可以减少钢筋用量，施工图绘制中也会省下一定的时间。 2 模型调整根据初步布置好的剪力墙及梁建立计算模型（PKPM），建一个至二个标准层（楼层较多、应变墙厚计算的须建立两个标准层），进行结构初步计算。初步计算主要是确定模型的规则性及竖向刚度调整。在具体参数中初步计算应达到以下效果：第一：周期及周期比的规则。一般情况下纯剪力墙结构高层建筑都不会太复杂，结构调整时应首先满足Tt/T1≤0.9（A级高度高层），如果周期比不满足，则说明结构抗扭转刚度相对较小，调整时应增加周边部位剪力墙、加高周边连梁（建筑立面允许的情况下）或者减少中间部位剪力墙。PKPM计算中，周期比满足要求以后，应调整周期的平动系数及扭转系数，X向、Y向以平动为主的第一自振周期的平动系数及以扭转为主的第一自振周期的扭转系数均宜接近1.00。第二：位移接近限值、不考虑偶然偏心时的位移比接近1.00。位移及位移比的大小是表现结构剪力墙布置多少的最直观数据。一方面要布置足够多的剪力墙，以满足1/1000的位移要求，另一方面，也要控制剪力墙的数量不能太多，否则不经济。实际初调模型时，应控制位移（X向、Y向）至1/1000左右；对于不考虑偶然偏心时的位移比也应调整至1.00或者接近1.00，这个位移比更直接的表现了结构在作用影响下位移的规则性。若这个比值过大，则是由于结构某一部位或者某一点不合理而使该部位或该点位移过大而造成的。如果这时再控制位移至1/1000则表明剪力墙布置相对较多了，反之，如果这时位移为1/800~1000时，则可能经过找出局部位移过大点对局部剪力墙调整而达到位移1/1000的要求。第三：中间及上部楼层基本无超筋，且不出现超筋（这里超筋不仅指配筋超限，也指抗剪、抗扭截面超限）超的特别多的梁。若有较多超筋则说明墙布置不合理，对它的调整也会影响到周期及位移。若个别梁超筋过多也说明了该梁处应力集中，该梁对结构刚度的影响也很大，就形成了结构的薄弱部位，设计时应通过调整布局使各构件受力均匀，避免过大的应力集中。结构调整中，质心和刚心应尽量重合或基本重合，质心和刚心重合可以避免结构刚度向某方向偏置而减小扭转作用，对位移比及周期比的调整有很大帮助。调整的方法是视位移的大小而在刚心偏置的反方向增加剪力墙或者刚心偏置的方向减少剪力墙。（刚心为圆圈，质心为十字）周期、位移、超筋的调整均不是孤立的，它们之间是相互关联及相互影响的，应全面加以考虑，不能“头疼医头，脚疼医脚”，此三项调整完毕，剪力墙布置也就基本确定下来了，接下来就是细致建模和调整连梁超筋了。模型细化以后，若还有局部连梁超筋则可以用下列方法调整。第一：调幅法。抗震设计剪力墙中连梁的弯矩和剪力可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。但在结构计算中已对连梁进行了刚度折减，其调幅范围应限制或不再调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位的连梁和墙肢的弯矩应相应加大。经调幅法处理的连梁，应确保连梁对承受竖向荷载无明显影响。第二：减小和加大梁高。减小梁高使梁所受内力减小，在通常情况下对调整超筋是十分有效的，但是在结构位移接近限值的情况下，可能造成位移超限。加大连梁高度连梁所受内力加大，抗力也加大了，可能使连梁不超筋，且可以减小位移，但是这种方法可能受建筑对梁高的限制，且连梁高度加大超过一定限值，构造需加强，也造成了钢筋用量的增加。第三：加大连梁跨度。可以非常有效的解决连梁超筋问题，但是减短剪力墙可能造成位移加大。设计时可以以上一种和几种方法共同使用。若个别连梁超筋还存在，也可以采用加大相连墙肢配筋及加大连梁配箍量使配筋能承载截面最大抗剪能力要求。包含各类专业文献、外语学习资料、各类资格考试、专业论文、高等教育、行业资料、中学教育、34剪力墙布置及模型调整方法等内容。
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随着我国经济社会的快速发展，城市土地越来越紧张，住宅类建筑向高层及超高层发展已成为趋势。一般的高层住宅多选用剪力墙结构体系，本人在工作实践中发现，同一建筑平面方案，不同的结构墙体布置其经济指标差异很大，主要是混凝土用量及含钢量差距很大。由于高层住宅建设的量大面广，若不注意提高设计水平则会造成很大的浪费，在地震区也未必对结构有利。本人曾参加过某住宅小区的设计投标，建设单位要求设计院进行初步计算并报出每平方米的用钢量及混凝土量。该小区有16层及12层高层住宅，抗震设防烈度为7度，场地类别为II类。我院报出的含钢量为45kg／m2，而参加投标的另两家设计院给出的含钢量为65kg／m2及60kg／m2，相差过于悬殊。经查看另两家设计院的图纸，剪力墙布置过多是造成结果相差悬殊的主要原因。
目前我国房地产业得到了迅猛的发展，不少房地产开发商要求设计单位为其节省工程投资，有些甚至要求限额设计，要求钢筋用量不得超过多少等等。作为一名猪构设计工作者，如何在激烈的市场竞争中立足，如何执行好国家各项设计规范，如何在保证结构安全的前提下使得结构设计经济合理，是值得我们思考的。俗话说&艺高人胆大&，这就要求我们对规范的条文有清楚的认识，理解规范的精髓，灵活运用。
高层建筑剪力墙结构的概念设计
《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)规定：高层建筑结构不应全部采用为短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置简体(或一般剪力墙)，形成短肢剪力墙与简体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时，简体和一般墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％。一般认为短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的40％～50％时属于短肢剪力墙结构。
短肢剪力墙结构抗震性能较差，经济指标不好。如《高规》规定：抗震设计时其抗震等级比一般剪力墙提高一级，对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1；除底部加强部位外，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2；短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强区部位不宜小于1.2％，其他部位不宜小于1.0％，以上要求加大了剪力墙的截面厚度及配筋率，所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。
设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布，尽可能将剪力墙的墙肢截面高度(至少保证一肢)做的比8倍墙厚稍大，符合一般剪力墙，剪力墙也不必按开间布置，两间合并布置为大开间剪力墙，同时满足竖向荷载传递的要求。剪力墙尽可能设计成&L&形、&T&形有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。在同样满足规范的各项指标的情况下，更能减轻结构自重，减小结构构件，有利于降低工程投资。根据工程经验，对于&L&形、&T&形剪力墙，当一个方向的墙符合一般墙要求时，另一个方向的墙肢不宜过短，较小的墙肢常常会出现较大的配筋，一般宜控制在1m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。参见图1。
剪力墙结构设计计算原则
剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果接近规范限值(不小于限值)，同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值。其次，考察剪力墙底部加强区的轴压比是否满足(对抗震等级为一、二级的剪力墙)，剪力墙连梁是否超限等。要控制好结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度的剪力墙结构不应大于0.9；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍(一般情况情况宜控制在1.2左右，特别不规则平面也宜控制在1.4以内)。
以下再较细致的分析剪力墙结构设计中需重点关注的各种技术指标的调整方法。
楼层最小剪力系数(剪重比)的调整原则：在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的不超过40％的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值(不小于限值)。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。
楼层层间最大位移与层高之比(位移)的调整原则：规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形；应计入扭转变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多(剪重比偏大)而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。
在实际工程设计中常常遇到如下情况：一些设计人员看到某一方向(X向或Y向)层间位移不满足规范要求，于是不断增加该向的侧向刚度；这样做是可以解决问题的，但应注意此时结构的剪重比是否较大，若与规范限值接近则可行，若剪重比已经较大，则不应当一味的增加，要学会用加法的同时也要学会用减法，即减小对应一侧的结构刚度，使其剪重比减小，地震作用减小，同样可以达到较好的结果。
结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比(周期比)的调整原则：
震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在地震中破坏严重，因此应保证结构的抗扭刚度不能太弱。结构的扭转效应应从以下两方面加以限制：首先，限制结构平面的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响；其次，限制结构的抗扭刚度不能太弱，关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。
在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，这样即可以提高结构的侧向刚度，同时又能够较大幅度的提高结构的抗扭刚度；若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献甚微。
在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比(位移比)的调整原则：该指标的调整应结合位移及扭转比的调整同时行，也可在位移及扭转比满足的情况下做微调。当计算结果一向(X向或Y向)位移比需调整时，可以加大该侧的抗侧力构件刚度(增加剪力墙或加大连梁高度)，也可减小对应一侧的抗侧力构件刚度(减少剪力墙或减小连梁高度)，这两种方法都可以达到调整的目的。但当具体工程层间位移已接近规范限值，而又在扭转比较大一侧无法增加抗侧力构件刚度(增加剪力墙或加大连梁高度)时，该如何解决呢?
谈交叉斜撑构件在高层建筑剪力墙体系中的应用。
实际工程概况：
某工程位于抗震设防烈度8度区，地震基本加速度值为0.20g，场地类别为II类，地下一层，地上二十八层，层高2.9m，标准层平面见图2。
从该平面中可以看出，A轴上剪力墙过少，而对称一侧M轴上剪力墙较多，从而造成位移及扭转比不能满足规范要求。通过尝试加厚A轴剪力墙厚度、增加洞口上连梁高度、在⑧－⑩轴间层层设置拉梁三种措施，均不能得到合理的计算结果；说明A轴结构抗侧力刚度过小，如何提高该侧的抗侧力刚度成了问题的关键。笔者将高层钢结构设计中钢框架一支撑体系的概念借鉴到该工程的剪力墙结构设计当中，即在⑧－⑩轴间每隔两层设置一道两层通高的&X&撑，&X&撑上下端同时设置水平拉梁(见图3)。计算表明，&X&撑设置后结构层间位移明显改善，结构的扭转比得到非常明显的变化；说明设置&X&撑后对A轴一侧的抗侧力刚度有很大的贡献，同时不影响建筑功能，且丰富了建筑立面，将结构受力构件与建筑美学很好的结合在了一起，使得建筑与力学得到了完美的统一。按设置&x&撑后修改的建筑彩色效果图得到了建设单位及当地规划主管部分的认可，目前该工程已经主体封顶，得到了使用单位的好评。
剪力墙连梁超限的调整原则：剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。
《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当大于8m时宜采用弱连梁将其分开。该条文中所说的剪力墙长度应当不只是单片实体剪力墙，而应包括含跨高比不大于5的连梁在内的联肢墙。
《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5－6之间时，若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，则对节省工程造价也有非常明显的影响，即将跨高比不大于5的连梁(刚度需折减)和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁(刚度不折减)，而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者，这对于节省工程投资具有很重要的意义。
剪力墙结构的地基基础设计
高层建筑往往带有地下室，对于地基条件较好，可以采用天然地基或复合地基的建筑，当建筑层数为十多层时，一般采用梁板式筏形基础较为经济(因为平板式筏基会因为剪力墙间距较大而造成筏板受力不均匀而增加板厚)；当建筑层数为二十多层时，一般采用平板式筏形基础较为合理。以上基础形式的确定主要是和剪力墙的间距有关，并根据结构的抗震设防烈度、层数、是否为人防地下室综合确定。
若地基条件不好需采用桩基础，可根据单桩承载力特征值大小，对于小高层采用独立桩基承台加构造梁板；对于高层采用沿墙下承台梁布桩加构造底板，不宜采用满堂布桩方案(承台筏板较费)。
高层建筑剪力墙结构应用量大，应进行反复的优化设计，在重视概念设计的前提下，认真调整各项技术参数，使结构达到相对较优的结果；只有这样，才能即保证结构安全合理又能为社会节省大量的投资，这是我们每位结构设计工作者应尽的职责。
以下是笔者多年设计剪力墙结构总结出的含钢量及混凝土折算厚度指标供同行参考使用。以上统计条件按：场地类别为II类，楼板、墙用HPB235级钢筋，梁、剪力墙边缘构件、基础用HRB335级钢筋(8度区用HRB400级钢筋)。其中层数较高、地下室为六级人防工程、采用桩基础、平面不规则时接近上限。
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对这种结构从抗震上来说是不太有利的但因其在使用上的方便性和灵活性而被广泛采用·从抗震上讲它是一种不合理的结构形式但限于我国当今的经济发展水平目前还无法取消因此在我国内地及广大中西部地区临街建筑中仍普遍采用其具有头重脚轻上刚下柔的特点·
底框结构是我国现阶段经济条件下特有的一种结构.
在城市规划设计中往往要求临街的住宅办公楼等建筑在底层设置商店饭店邮局或银行等.而一些旅馆因使用功能上的要求也往往要在底层设置门厅食堂会议室等
这样房屋的上面几层为纵横墙较多的砌体承重结构而底层则因使用要求上需要大空间的原因采用框架结构形成了砖混底层框架结构1 底框结构的破坏特性
底框结构一般来说高度不是很高风荷载的影响较小主要是承受竖向荷载和水平地震作用当然在某些风载较大的地区当底层没有设置抗震墙时其在地震作用下的破坏特征是
1 二层以上砖房破坏的状况与一般多层砖房基本相同
2底层的破坏比上面各层都严重主要是底层柱丧失承载力或因变形集中引起位移过大而破坏底层柱在竖向荷载和水平地震剪力的联合作用下沿斜截面发生破坏后又加剧了受压破坏有的柱由于钢筋间距过大特别是在柱的上下端箍筋没有加密的情况下破坏更加突出有的钢筋混凝土柱因纵向钢筋的配筋率太高超过 6%使柱丧失韧性发生脆性破坏
3 由于底框结构上部砖房的重量较大底部重量相对较轻在头重脚轻的情况下再加上平面布置不对称的情况下发生扭转破坏
针对以上情况规范规定对此类结构的底层不能采用纯框架结构一定要在两个方向设置抗震墙成为框架抗震墙结构至于抗震墙的材料在67 度抗震设防时新规范虽然允许采用砖墙但应计入砖对框架的附加轴力和附加剪力老的抗震规范无此要求其余情况均应采用钢筋混凝土抗震墙
2 底框结构的总高度和层数的限制
上海地区一般6度和7度抗震设防情况下上海地区的抗震规范规定底层框架结构的总高度限制在19米但这个高度是指室外地平面至檐口的高度不包括女儿墙的高度层数一般限制在6层即底层为框架上部砖砌体最多为5层但由于现在新的抗震规范已经对上述限制作出了突破分别为21米和7层的限制且允许采用两层底框结构而上海地区新的抗震规范尚未出台所以此时我们可以兼顾两个规范作出决定
3 底层抗震横墙的最大间距
横墙的间距限制主要是防止楼板平面出现过大的变形而不能使各层的地震作用传递到抗震墙上因此与楼屋盖的刚度有关一般情况下底框结构的楼屋盖采用现浇至少也应保证整体式装配此时抗震横墙的最大间距在6度时为25米7度时为21米
4 底层框架的抗震等级
老的抗震规范中底层的框架抗震等级67度时分别为四级和三级新抗震规范中均将其提高一级处理1 层刚比的控制
控制侧移刚度比的规定是根据底层为大空间的钢筋混凝土结构的弹塑性地震反应实验和研究分析结果提出的图二是两个结构模型的侧移曲线模型A是一般的抗震墙结构上下刚度变化均匀其弹性反应虚线与弹塑性反应实线的侧移曲线基本一致上下变化也较均匀模型B是底层大空间的抗震墙结构弹性侧移反应中底层稍大于其它各层而弹塑性侧移反应中底层侧移特别大出现了显著的塑性变形集中图三是层间位移曲线的比较更明显的反映出底层存在塑性变形的集中底层越弱塑性变形集中的现象越严重其程度基本上与上下侧移刚度比成正比而结构破坏的程度层面变形成正比因此要减轻地震时底层的破坏程序就要对上下部的侧移刚度比进行控制
即对γ=K2/K1进行控制其中K2是砖混部分最下一层的侧移刚度它由三部分组成其一是该层的框架侧移刚度之和其二为该层混凝土抗震墙侧移刚度之和其三为该层砖抗震墙侧移刚度之和K1为框架层最上一层的侧移刚度即该层所有砖墙的侧移刚度之和按上海抗震规范7度时γ应在1-2之间按全国抗震规范老规范中由于对底部两层框架的结构未加考虑故仅对一层底框的情况进行控制γ应在1-3之间而新的抗震规范则对一层底框架和两层底框均加以控制一层时γ应在1-2.5之间两层时γ应在1-2之间这一点作为设计人员应予以重视要达到上述要求采用钢筋混凝土抗震墙比采用砖抗震墙容易得到满足因为混凝土的弹性模量大约10倍于砖砌体的弹性模量
2 地震作用的计算
底框结构的地震作用计算方法一般为底部剪力法其中地震影响系数一律取αmax在计算时上海地区可注意五个不必
1 不必计算结构的自振周期
2 不必查地震影响系数曲线
3 不必考虑顶部附加水平地震作用
4 不必考虑竖向地震作用的影响
5 不必考虑地基基础与结构的相互影响
底框结构的总水平地震剪力标准值的计算公式为Fek=αmaxGeq其中Geq为结构的等效总重力荷载代表值但应注意其取值为各层等重力荷载代表值之和的85%总水平地震作用沿高度的分布为Fi=(GiHi/∑GiHi)Fek
3 底层的设计地震剪力
各层的地震剪力设计值的计算公式为Vi=γEH∑Fi其中γEH为水平地震作用的分项系数一般取为1.3此处应注意的是用上式求出的底层地震剪力设计值还应乘以一个增大系数这是因为底部剪力法仅适用于刚度沿高度方向均匀变化的多层结构而底框结构是具有薄弱底层的多层结构故借用底部剪力法时应做适当的修正上海规范规定纵向和横向的地震剪力设计值均乘以1.5的增大系数而全国规范则按前文提到的上下侧移刚度比γ的大小按η=1+ 0.17γ来计算增大系数其值在1.21.5之间
4 底层抗震墙承担的水平地震剪力
在底层抗震墙的侧移刚度比框架的侧移刚度大几十倍甚至上百倍这样按刚度分配框架所承担的水平地震剪力还达不到总水平地震剪力的5%为简化计算可略去不计因此上海规范和全国规范均规定增大后的纵横向的地震剪力全部按该方向的抗震墙承担并按该方向的各片抗震墙的刚度的比例来进行分配
5 底层框架承担的水平地震剪力
既然底层的水平地震剪力都是由抗震墙承担那为什么还要考虑框架承担的水平地震剪力呢这主要是从安全的角度出发考虑到抗震墙刚度降低而引起的框架承担的剪力的增大此时框架承担的水平地震剪力按抗侧力结构的有效侧移刚度的比例分配所谓有效侧移刚度指的是地震作用下结构处于某个变形阶段时各构件的实际刚度当结构遭遇7度或以上地震时目前一般方法设计的结构将进入弹塑性变形状态即墙体有一定裂缝而使其刚度急剧下降从而对地震剪力在框架和抗震墙间的分配产生显著影响
图四是框架在水平力作用下的侧力-位移关系曲线当层间位移角达到1/500之前二者基本上是线性关系框架处于弹性变形阶段以内图五是钢筋混凝土抗震墙的侧力-位移关系曲线当层间位移角达到1/4000时刚度就开始下降当层间位移角达到1/500时其割线刚度约等于初始弹性刚度的 30%图六是砖抗震墙的侧力-位移关系曲线当层间位移角达到1/500时其割线刚度已经大约下降到初始弹性刚度的13%
综合上述实验结果可以认为当层间位移角接近1/500时框架的刚度不变钢筋混凝土抗震墙的刚度降至30%砖抗震墙刚度约降至20%此后位移加大框架的刚度也下降但墙的刚度也继续下降三者之间的比例关系基本不变这样底层一榀纵向或横向框架所承担的水平剪力计算公式为Vf =KfV/∑Kf+0.3∑Kcw+0.2∑Kbw其中Kf为一榀框架的侧移刚度Kcw为一榀钢筋混凝土抗震墙的侧移刚度Kbw为一榀砖抗震墙的侧移刚度
6 底层倾覆力矩在框架和抗震墙之间的分配
在各层的水平地震作用下将会产生底层的倾覆力矩在以往的工程设计中往往将作用于底层的倾覆力矩视同水平地震剪力按各榀构件的侧移刚度比例进行分配使抗震墙承担过多的倾覆力矩导致设计困难实际上倾覆力矩和水平剪力的性质不一样后者产生侧移故按侧移刚度分配前者产生转动应按底层的框架和抗震墙的转动刚度的比例进行分配该倾覆力矩进行分配后将使底层抗震墙产生附加弯矩使底层的框架产生附加轴力1剪力墙布置原则 　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678度设防区最大横墙间距分别为21m18m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
2剪力墙使用材料
规范中规定67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1.2Aw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GB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GB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/.
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67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
3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交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所谓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.
4剪力墙施工顺序
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填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框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构造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砌墙顶预留二三皮砖待沉实后再用砖及砂浆填充
5剪力墙如何正确计算
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K900°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
当前一些设计人员口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
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