剪力墙的内力计算方法.ppt

5.2剪力墙结构的内力和侧移简化近似计算方法5.2.1基本假定5.2.2竖向荷载作用下的内力计算5.2.3水平荷载作用下的计算单元和计算简图5.2.4水平荷载的分配5.2.5平面剪力墙分类及受力特点5.2.6整体墙的内力和位移计算5.2.7小开口整体墙的内力与位移计算5.2.8双肢墙和多肢墙的内力和位移计算5.2.9壁式框架的内力和位移计算5.2剪力墙结构的内力和侧移的简化近似计算5.2.1基本假定1、竖向荷载在纵横向剪力墙平均按45度刚性角传力；2、每片墙体结构仅在其自身平面内提供抗侧刚度，在平面外刚度可忽略不计；3、平面楼盖在其自身平面内刚度无限大；4、剪力墙结构在使用荷载作用下构件材料均处于线弹性阶段。如果楼板中有大梁，传到墙上的集中荷载可按45扩散角向下扩散到整个墙截面。所以，除了考虑大梁下的局部承压外，可按分布荷载计算集中力对墙面的影响，见图。力传递路线：楼板墙除了连梁内产生弯矩外，墙肢主要受轴向力竖向荷载分布竖向荷载分布5.2.25.2.2、剪力墙在竖向荷载下内力计算、剪力墙在竖向荷载下内力计算当纵墙和横墙是整体联结时，一个方向墙上的荷载可以向另一个方向墙扩散。因此，在楼板以下一定距离以外，可以认为竖向荷载在两方向墙内均匀分布。5.2.35.2.3、水平荷载下的计算单元和计算简图、水平荷载下的计算单元和计算简图剪力墙结构是空间盒子式结构，但是它可按纵、横两方向墙体分别按平面结构进行分析，大大简化在水平荷载下的计算。当简化为平面结构计算时，可以把与它正交的另一方向墙作为翼缘，这样可使计算更加符合实际。例如图结构，y向、x向分别按图(b)和图(c)划分剪力墙。剪力墙有效翼缘宽度bf剪力墙有效翼缘宽度bi，可按表5.5所列各项中取较小值，表中符号见图。剪力墙有效翼缘宽度bi考虑方式截面形式T形或I形L形或形按剪力墙间距计算按翼缘厚度计算按门窗洞口计算按剪力墙总高度计算剪力墙有效翼缘宽度bf取表中所列各项较小值。非直线墙的处理由于建筑立面的需要，有时剪力墙的轴线并不是一条直线，这给结构计算带来困难。可按下述简化方法来近似进行计算。在十字形和井字形平面中，核心墙各墙段轴线错开距离在十字形和井字形平面中，核心墙各墙段轴线错开距离a不大于实体连接墙厚度的不大于实体连接墙厚度的8倍、且不大于倍、且不大于2.5 m时，整片墙时，整片墙可以作为整体平面剪力墙来计算，但必须考虑到实际上存可以作为整体平面剪力墙来计算，但必须考虑到实际上存在的错开距离在的错开距离a带来的影响，整片墙的等效刚度宜将计算带来的影响，整片墙的等效刚度宜将计算结果乘以结果乘以0.8的系数，并将按整片墙计算所得的内力乘以的系数，并将按整片墙计算所得的内力乘以1.2的增大系数。的增大系数。对折线型的剪力墙，当各墙段总转角不大于对折线型的剪力墙，当各墙段总转角不大于15（15）时，可近似地按平面剪力墙进行计）时，可近似地按平面剪力墙进行计算。算。除上述两种情况外，对平面为折线形的剪力墙，除上述两种情况外，对平面为折线形的剪力墙，不应将连续折线形剪力墙作为平面剪力墙计算；不应将连续折线形剪力墙作为平面剪力墙计算；当将折线形（包括正交）剪力墙分为小段进行当将折线形（包括正交）剪力墙分为小段进行内力和位移计算时，应考虑在剪力墙转角处的内力和位移计算时，应考虑在剪力墙转角处的竖向变形协调。竖向变形协调。5.2.45.2.4水平荷载的分配水平荷载的分配各片剪力墙是通过刚性楼板联系在一起的。当结构的水平力合力中心与结构刚度中心重合时，结构不会产生扭转，各片剪力墙在同一层楼板标高处的侧移将相等。因此，总水平荷载将按各片剪力墙的刚度大小向各片墙分配。所有抗侧力单元都是剪力墙，它们有相类似的沿高度变形曲线弯曲型变形曲线，各片剪力墙水平荷载沿高度的分布也将类似，与总荷载沿高度分布相同。因此，分配总荷载或分配层剪力的效果是相同的。当有m片墙时，第i片墙第j层分配到的剪力是式中，Vpj由水平荷载计算的第j层总剪力；EiIeqi第i片墙的等效抗弯刚度。由于墙的类型不同，等效抗弯刚度的计算方法也各异，将在下面章节分别讨论。当水平力合力中心与结构刚度中心不重合时，结构会产生扭转。有扭转作用时，各片剪力墙分配到的剪力与不考虑扭转时分配到的剪力不同。5.2.55.2.5、平面剪力墙分类及受力特点、平面剪力墙分类及受力特点 在水平荷载作用下，剪力墙处于二维应力状态，严格说来，应按照平面问题求解。借助电子计算机、用平面有限元方法（离散为三角形或矩形单元）可以求出任意形状尺寸、任意荷载和墙厚变化时各点的应力，精确度也较高。从实用上，一般是根据开洞大小、截面风力分布特点进行简化计算。整体墙 无孔洞或孔洞很小的剪力墙称为整体墙，其受力特点如同竖向悬臂梁。在水平荷载作用下，当剪力墙高宽比较大时，其受弯变形后的截面仍然符合材料力学中的平截面假定，截面上的正应力呈线性分布。小开口整体墙当剪力墙上所开洞孔的面积稍大时，在水平荷载作用下的这类剪力墙，截面上的正应力分布略偏离直线分布的规律，变成相当于整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠加了墙肢的局部弯曲应力。当墙肢中的局部弯矩不超过墙体整体弯矩的15%时，可以近似地认为基本上符合材料力学中的平截面假定，其截面变形仍接近于整体墙。对上述的剪力墙，当大部分楼层上的墙肢不出现反弯点时，称这类剪力墙为小开口整体墙。联肢墙（包括双肢墙和多肢墙）当剪力墙上所开的洞孔较大且连梁（联系墙肢的部分）的刚度比墙肢的刚度小得多时，在水平荷载作用下的这类剪力墙，连梁跨中会出现反弯点，各墙肢的单独工作能力也比较明显，可看成是若干单肢剪力墙由连梁联结起来的剪力墙。由于洞孔开得较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，截面上的正应力分布与直线规律已有较大的差别。具有上述特点的剪力墙称为联肢墙；对开有一列洞孔的联肢墙称为双肢墙；对开有多列洞孔的联肢墙称为多肢墙。壁式框架（大开口剪力墙）剪力墙洞孔开得越大，各墙肢的独立工作能力越明显。当连梁的刚度很大，而墙肢的刚度相对较弱时，剪力墙的受力状况已接近普通框架的受力特性，对这类大开口的剪力墙称为壁式框架。其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩，在许多楼层内墙肢有反弯点。一般说来，壁式框架所开洞口的面积约为整个剪力墙面积的40%80%。当墙肢宽度与连梁跨度之比小于0.2，连梁高度与楼层层高之比也小于0.2时，这类剪力墙已经成为普通的框架。框架。计算方法计算方法1整体墙和小开口整体墙计算方法2连续化方法及带刚域框架计算方法3有限条方法 没有门窗洞门或只有很小的洞口时，可以忽赂洞口的影响，按照整体悬臂墙求截面内力，并假定正应力符合直线分布规律，这称为整体墙计算方法。当门窗洞口稍大时，两个墙肢的应力分布不再是直线关系，但偏离不大，可在应力按直线分布计算的基础上加以修正。这种近似计算称为小开口整体墙计算方法。开有一排较大洞口的剪力墙叫双肢剪力墙；开有多排较大洞口的剪力墙叫多肢剪力墙。由于洞口较大，剪力墙是一系列由连梁约束的墙肢所组成。这时可以用连续化方法或带刚域框架方法作近似计算。当简化为带刚城框架时，可以用D值法进行手算，也可以用杆件有限元以及短阵位移方法，由计算机计算。对于形状及开洞都比较规则的墙，近年来发展了用有限条计算内力和位移的方法。把剪力墙划分为竖向条带，条带的应力分布用函数形式表示，连结线上的位移为未知函数。这种方法较平面有限元未知量大大减少，中小型计算机都可实现其计算。这是一种精度较高的计算方法。本课主要介绍用手算可以实现的近似计算方法 5.2.65.2.6整体墙计算方法整体墙计算方法适用范围：凡是墙面上的门窗、洞口等开孔面积不超过墙面面积15，而且孔洞之间净距离以及孔洞至墙边净距离大于孔洞长边。在水平荷载作用下，整截面墙可视为上端自由、下端固定的竖向悬臂梁，在水平荷载作用下，整截面墙可视为上端自由、下端固定的竖向悬臂梁，如图所示，其任意截面的弯矩和剪力可按照材料力学方法进行计算。如图所示，其任意截面的弯矩和剪力可按照材料力学方法进行计算。在计算位移时，要考虑洞口对截面面积及刚度的削弱。等效截面面积Aq取无洞口截面面积A乘以洞口削弱系数。等效惯性矩Iq取有洞口截面向与无洞口截面惯性矩沿竖向的加权平均值，式中A剪力堵截面毛面积；A0剪力墙立面总墙面面积；Ad剪力墙洞口总面积（立面）。式中Ii剪力墙沿竖向各段的截面惯性矩，无洞口段与有洞口段分别计算，n为总分段数；hi各段相应高度，hjH。计算位移时候，除了弯曲变形外，剪切变形不容忽视。在三种常用水平荷载下，悬臂杆顶点位移计算公式如下（括弧中后一项为剪切变形影响）：位移计算式中V0底部截面剪力；切应力不均匀系数。矩形截面取1.2，I形截面全面积腹板面积，T形截面见表4.2。表表5.6T形截面切应力不均匀系数形截面切应力不均匀系数等效刚度等效刚度EIeq 为了计算方便，引入等效刚度EJeq的概念，它把剪切变形与弯曲变形综合成用弯曲变形的形式表达，写成三种荷载下，EIeq分别是进一步简化，将三种荷载作用下的公式统一，式内系数取平均值，混凝土剪切模量G0.4E，则上面子式可写成在分配剪力时，整体悬臂墙的等效抗弯刚度可直接由上式计算。5.2.75.2.7小开口整体墙及独立墙肢近似计算方法小开口整体墙及独立墙肢近似计算方法在某些特定条件下，联肢墙的计算可进一步简化，可按静定悬臂的计算公式计算内力和位移。这可以大大减少计算工作量。但计算结果较粗糙，使用应慎重。有两种特定情况，按两种方法计算：洞口宽而墙肢较窄：墙肢每层均会出现反弯点，连梁及墙肢刚度均较小，联肢墙的受力性能已接近框架，侧移曲线呈剪切型。可视为宽梁宽柱的壁式框架。洞口窄而墙肢较宽：只在少数层墙肢中出现反弯点，大部分墙肢无反弯点，联肢墙侧移曲线呈弯曲型，可按小开口整体墙方法计算墙肢及连梁内力。一、小开口整体墙计算方法一、小开口整体墙计算方法适用范围：10其中：联肢墙整体系数，双肢墙：多肢墙：IA/IZ 或或IA/IZiI组合截面惯性矩z，zi系数，与以及层数n有关，当各墙肢以及各连梁都比较均匀时候，查表5.7得z值。当各墙肢相差较大时，根据表5.8先查出S值，按照下式计算第i个墙肢的zi值：IA各墙肢面积与yi2乘积之和，yi各面积形心到组合截面形心距离表5.7系数Z表表5.8系数系数S小开口整体墙小开口墙的内力和应力分布有如下特点：墙肢中的大部分层都没有反弯点；截面上正应力分布接近直线分布。当=10时，底截面=1.0的k=0.85，因此，小开口墙可以近似按照下述公式计算墙肢内力：Mi(x)，=1.0第i个墙肢在x截面处的弯矩及轴力；MP(x)x截面处的外弯矩；Ai，Ji，yi第i个墙肢截面面积，惯性矩以及截面形心到组合截面形心距离；J组合截面惯性矩。剪力墙截面几何参数墙肢截面剪力为宽度大的墙肢易满足JA/JZi，计算内力按照宽度小的墙肢不易满足JA/JZi，需要对Mi进行修正。小墙肢内力墙肢有反弯点，假定反弯点在中点。修正后：连梁剪力可以由上下层轴力之差求得，再由剪力计算连梁端部弯矩。顶点位移公式为公式5.6乘上1.2的修正系数二、独立墙肢计算方法二、独立墙肢计算方法当连梁刚度很小时，它对墙肢约束弯矩很小，可以忽略连梁约束作用，把用洞口分割的各个墙肢当作独立墙肢进行计算。适用范围：1的时候计算步骤：1、计算连梁墙肢几何参数及整体系数。如果1，则可以按独立墙肢来计算。2、将底部水平荷载按照各个墙肢的刚度分配到各个墙肢，第i个墙肢的底部剪力为：独立墙肢计算简图其中：V0联肢墙基底剪力；Ji0第i个墙肢折算惯性矩，如不考虑剪切的话，则Ji0=Ji。3、再将V0作为底部水平荷载按原来荷载分布形式作用到每个独立墙肢上，各个独立墙肢按悬臂墙计算其内力。