剪力墙分平面剪力墙和筒体剪力墙。平面剪力墙用于钢筋混凝土框架结构、升板结构、无梁楼盖体系中。为增加结构的刚度、强度及抗倒塌能力,在某些部位可现浇或预制装配钢筋混凝土剪力墙。现浇剪力墙与周边梁、柱同时浇筑,整体性好。筒体剪力墙用于高层建筑、高耸结构和悬吊结构中
,由电梯间、楼梯间、设备及辅助用房的间隔墙围成,筒壁均为现浇钢筋混凝土墙体,其刚度和强度较平面剪力墙可承受较大的水平荷载。
墙根据受力特点可以分为承重墙和剪力墙,前者以承受竖向荷载为主,如砌体墙;后者以承受水平荷载为主。在抗震设防区,水平荷载主要由水平地震作用产生,因此剪力墙有时也称为抗震墙。
剪力墙按结构材料可以分为钢板剪力墙、钢筋混凝土剪力墙和配筋砌块剪力墙。其中以钢筋混凝土剪力墙最为常用。
PART1:剪力墙类别
一般按照剪力墙上洞口的大小、多少及排列方式,将剪力墙分为以下几种类型:
1、整体墙
没有门窗洞口或只有少量很小的洞口时,可以忽略洞口的存在,这种剪力墙即称为整体剪力墙,简称整体墙。
当门窗洞口的面积之和不超过剪力墙侧面积的15%,且洞口间净距及孔洞至墙边的净距大于洞口长边尺寸时,即为整体墙。
2、小开口整体墙
门窗洞口尺寸比整体墙要大一些,此时墙肢中已出现局部弯矩,这种墙称为小开口整体墙。
3、连肢墙
剪力墙上开有一列或多列洞口,且洞口尺寸相对较大,此时剪力墙的受力相当于通过洞口之间的连梁连在一起的一系列墙肢,故称连肢墙。
4、框支剪力墙
当底层需要大空间时,采用框架结构支撑上部剪力墙,就形成框支剪力墙。在地震区,不容许采用纯粹的框支剪力墙结构。
5、壁式框架
在连肢墙中,如果洞口开的再大一些,使得墙肢刚度较弱、连梁刚度相对较强时,剪力墙的受力特性已接近框架。由于剪力墙的厚度较框架结构梁柱的宽度要小一些,故称壁式框架。
6、开有不规则洞口的剪力墙
有时由于建筑使用的要求,需要在剪力墙上开有较大的洞口,而且洞口的排列不规则,即为此种类型。
需要说明的是,上述剪力墙的类型划分不是严格意义上的划分,严格划分剪力墙的类型还需要考虑剪力墙本身的受力特点。
根据受力性能不同,可分为以下几种:独立墙肢整体、小开口剪力墙、整截面剪力墙、壁式框架、连肢剪力墙。
PART2:剪力墙特点及适用范围
一、剪力墙特点
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的4-8倍剪力墙结构,常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型,这种结构形式的特点是:
①结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上不与建筑使用功能发生矛盾;
②墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要而定,还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置;
③能灵活布置,可选择的方案较多,楼盖方案简单;
④连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,可隐蔽;
⑤根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度要求。
对短肢剪力墙结构的设计计算,因是剪力墙大开口而成,所以基本上与普通剪力墙结构分析相同,可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法,前者如建研院的TBSA、TAT、广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块;后者如建研院的TBSSAP、SATWE、清华大学的TUS、广东省建院的SSW等。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况,精度较高。虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广,但对墙肢较长的短肢剪力墙,应该用空间杆-墙组元程序进行校核。
在进行以上分析后,按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计,相对于异形柱结构,短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟,但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。
1、由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小,设计时宜布置适当数量的长墙,或利用电梯,楼梯间形成刚度较大的内筒,以避免设防烈度下结构产生大的变形,同时也形成两道抗震设防;
2、短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢,当有扭转效应时,会加剧已有的翘曲变形,使其墙肢首先开裂,应加强其抗震构造措施,如减小轴压比,增大纵筋和箍筋的配筋率;
3、高层短肢剪力墙结构在水平力作用下,呈现整体弯曲变形为主,底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力,由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂,因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量,加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接,避免形成孤立的“一”字形墙肢;
4、各墙肢分布要尽量均匀,使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近,必要时用长肢墙来调整刚度中心;
5、高层结构中的连梁是一个耗能构件,在短肢剪力墙结构中,墙肢刚度相对减小,连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁,不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调,使其设计内力降低,应按普通框架梁要求,控制砼压区高度,其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70~80%解决。按强剪弱弯、强柱弱梁的延性要求进行计算,
剪力墙的计算。
二、剪力墙适用范围
1、框架-剪力墙结构:由框架与剪力墙组合而成的结构体系,适用于需要有局部大空间的建筑,这时在局部大空间部分采用框架结构,同时又可用剪力墙来提高建筑物的抗震能力,从而满足高层建筑的要求。
抗震墙竖向、横向分布钢筋的配筋,应符合下列要求:
(1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级抗震墙的竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应小于0.25%;四级抗震墙不应小于0.20%;钢筋间距不应大于300mm,直径不应小于8mm。
(2)部分框支抗震墙结构的抗震墙底部加强部位,纵向及横向分布钢筋配筋率均不应小于0.3%,钢筋间距不应大于200mm。
2、普通剪力墙结构:全部由剪力墙组成的结构体系。
3、框支剪力墙结构:当剪力墙结构的底部需要有大空间,剪力墙无法全部落地时,就需要采用底部框支剪力墙的框支剪力墙结构。
PART3:剪力墙结构厚度规定
根据抗震规范6.1.2条规定,8度地震区剪力墙结构的抗震等级至少应为二级;
按6.4.1条要求剪力墙底部加强部位墙厚一、二级抗震等级时不宜小于200mm,且不小于层高的1/16,其他部位不小于160mm,当墙端头无翼墙或暗柱时不应小于层高的1/12。
以上规定目的是为防止因墙体平面外刚度过小,稳定性差,容易在偏心荷载作用下压屈失稳,但这些规定对于八度地震区的多层及低高层剪力墙结构显得不够合理。
例如5~15层的剪力墙结构,一般墙肢在重力荷载代表值作用下轴压比都小于0.2,电算结果墙体往往只需要构造配筋,但只因底部功能要求3.9m层高,墙厚就得240mm,若业主要求室内视野开阔,不设外纵墙,横墙朝外端头不允许带翼墙或端柱时,当层高3》5~4.2m时,则墙厚需要320~350mm,显然不合理。所以像这样的特殊情况的低多层建筑不应要求死扣规范,而通过采用概念设计分析,控制墙肢轴压比,进行墙体截面条件、强度和稳定性验算并在构造上适当加强暗柱或配筋,保证其整体性连接等措施,是可以使墙厚减小的。