第五讲(一) 剪力墙结构的内力
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剪力墙的受力分析剪力墙的受力分析剪力墙所承受的竖向荷载,一般是结构自重和楼面荷载,通过楼面传递到剪力墙。
竖向荷载除了在连梁(门窗洞口上的梁)内产生弯矩以外,在墙肢内主要产生轴力。
可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。
在水平荷载作用下,剪力墙受力分析实际上是二维平面问题,精确计算应该按照平面问题进行求解。
可以借助于计算机,用有限元方法进行计算。
计算精度高,但工作量较大。
在工程设计中,可以根据不同类型剪力墙的受力特点,进行简化计算。
1.整体墙和小开口整体墙在水平力的作用下,整体墙类似于一悬臂柱,可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力。
小开口整体墙,由于洞口的影响,墙肢间应力分布不再是直线,但偏离不大。
可以在整体墙计算方法的基础上加以修正。
2.连肢墙连肢墙是由一系列连梁约束的墙肢组成,可以采用连续化方法近似计算。
壁式框架可以简化为带刚域的框架,用改进的反弯点法进行计算。
3.框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙此两类剪力墙比较复杂,最好采用有限元法借助于计算机进行计算。
其计算判断过程是由整体参数来判断的有关计算方法有那些注意的问题,希望大家展开讨论. 还有个比较重要而且需要进一步理解的概念是:协同工作原理基本的原理是这样的:框架结构和剪力墙结构,两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。
框架的侧移曲线是剪切型,曲线凹向原始位置;而剪力墙的侧移曲线是弯曲型,曲线凸向原始位置。
在框架—剪力墙(以下简称框-剪)结构中,由于楼盖在自身平面内刚度很大,在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。
这使得框—剪结构的侧移曲线既不是剪切型,也不是弯曲型,而是一种弯、剪混合型,简称弯剪型。
在结构底部,框架将把剪力墙向右拉;在结构顶部,框架将把剪力墙向左推。
因而,框—剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些,比纯剪力墙结构的侧移要大一些;其顶部侧移则正好相反。
框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时,二者之间为保持变形协调还存在着相互作用。
第十五部分——专题剪力墙的内力分析一、概述剪力墙在钢筋混凝土高层建筑结构中有着广泛的应用,目前剪力墙常用的分析方法和结构计算模型,主要有以下几种:剪力墙的分析方法可以归纳为三大类:数值计算方法;解析方法;半数值半解析方法。
剪力墙计算模型:1、解析法等效连续化法或微分方程法。
将结构各层的受力构件沿高度方向进行连续化,然后用微分方程来求解结构的内力和变形。
解析法中应用最多的是等效夹层梁法,最早是应用于分析框架结构,剪力墙出现后被推广应用于联肢剪力墙。
这种方法局限性很大,只能用于形状和开洞规则的剪力墙,且此方法对低层和多层建筑误差较大。
2、数值解法此法又称等效离散化法。
把一个整体结构连续体离散化为大小和类型不同的单元体,通过节点连接成整体来代替原有结构,使之满足整体的平衡条件和变形协调条件,从而可以通过位移法、力法和混合法等方法进行数值求解。
由于这种方法通用性强,易于编制计算程序,又有较高的计算精度,在工程界广为应用。
根据所采用的单元类型的不同,可分成微观模型和宏观模型两大类。
(1)微观模型随着计算机技术的发展和钢筋混凝土本构关系的深入研究,诞生于20世纪60年代的钢筋混凝土有限元方法被运用到分析剪力墙结构上,有限元方法还处于不断发展和完善之中,许多理论问题尚待深入研究,同时,庞大的自由度引起的数值分析上的困难和需要繁重的计算工作量,使得这一方法目前主要用于分析结构部件或局部结构以及试验的计算机模拟,而在分析和设计实际结构中应用较少。
目前,用于剪力墙结构的微观模型主要有平面应力膜单元和壳单元。
(2)宏观模型这种模型相对比较简单,宏观模型是目前最主要的研究和使用的模型,已在工程设计中广泛应用。
a)等效梁模型用等效梁单元对剪力墙沿墙轴线进行离散。
该单元的全部非性变形集中到两端的塑性铰上,可用两端的非线性弹簧表示,中间部分为弹性的,如图1所示。
显得过于粗糙。
d)、壳元墙元模型是在墙单元模型的板壳单元基础上,根据静力凝聚原理开发的一种四节点矩形单元。
框架和剪力墙结构的内力与位移计算在建筑结构设计中,框架和剪力墙结构是一种常见且重要的结构形式。
理解和准确计算这种结构的内力与位移,对于确保建筑物的安全性、稳定性以及使用性能至关重要。
框架结构主要由梁和柱组成,通过节点连接形成空间受力体系。
在承受水平荷载时,框架结构的变形以剪切型为主,即层间位移由下至上逐渐增大。
而剪力墙结构则是由一系列的钢筋混凝土墙板组成,能够有效地抵抗水平荷载,其变形以弯曲型为主,即顶部位移较大。
当框架和剪力墙共同工作时,其内力和位移的计算就变得较为复杂。
首先,我们来探讨内力的计算。
内力包括弯矩、剪力和轴力。
在水平荷载作用下,框架和剪力墙所承担的内力会根据它们的刚度比例进行分配。
对于框架部分,其内力计算通常采用 D 值法。
D 值法考虑了梁柱线刚度比、上下层横梁线刚度比以及层高变化等因素对框架柱抗侧刚度的影响。
通过计算得到框架柱的抗侧刚度后,再根据水平荷载的大小和分布,就可以计算出框架柱和框架梁的内力。
剪力墙的内力计算则相对复杂一些。
一般来说,可以采用等效抗弯刚度法或者连续连杆法。
等效抗弯刚度法将剪力墙等效为一个悬臂梁,通过计算其等效抗弯刚度来确定内力。
连续连杆法则是将剪力墙视为一系列连续的连杆,通过建立微分方程来求解内力。
在计算框架和剪力墙结构的位移时,需要分别考虑弯曲变形和剪切变形的影响。
对于框架结构,由于其剪切变形较大,需要同时考虑梁柱的弯曲变形和剪切变形。
而剪力墙结构主要是弯曲变形,其位移计算可以基于材料力学中的弯曲理论。
在实际工程中,为了更准确地计算框架和剪力墙结构的内力和位移,通常会借助计算机软件进行分析。
这些软件基于有限元法等数值方法,能够模拟结构在各种荷载作用下的响应。
然而,软件计算结果也并非绝对准确,工程师还需要根据自己的经验和判断对结果进行分析和校核。
例如,在一些特殊的情况下,软件可能无法准确考虑结构的非线性行为或者一些复杂的边界条件。
另外,在设计过程中,还需要考虑一些其他因素对内力和位移的影响。
剪力墙作为一种重要的建筑结构构件,其主要功能是抵抗水平荷载,特别是风荷载和地震作用产生的剪切力,以及传递竖向荷载。
剪力墙的受力机理主要包括以下几个方面:1.水平荷载作用下的受力:o在水平荷载如风荷载或地震作用下,剪力墙作为一个整体构件,主要通过墙体自身的弯曲变形来消耗能量并传递剪力。
墙体两侧因受力而产生相对剪切变形,墙体内的混凝土和钢筋共同工作,其中混凝土承受大部分剪切应力,而水平分布钢筋(箍筋和水平筋)主要抵抗剪切变形导致的裂缝发展和延展。
2.竖向荷载作用下的受力:o对于竖向荷载(自重和楼面活荷载),剪力墙类似于厚壁梁,通过墙体本身的压缩变形来承受垂直荷载,并通过墙体底部的基础或梁将荷载传递至地基。
3.墙肢和连梁的协同工作:o在有洞口的剪力墙中,墙肢(无洞口部分)和连梁(位于洞口上方或下方的梁)形成一个整体,共同受力。
连梁不仅传递水平荷载,还通过其弯曲变形协调各个墙肢间的变形,使整个剪力墙结构保持稳定。
4.内力分布:o剪力墙内部的内力分布是复杂的,包括剪力、弯矩和轴向压力。
这些内力由墙体中的主筋(竖向钢筋)和分布钢筋(箍筋)共同承担,主筋主要负责抵抗墙体的弯曲和轴向压力,而箍筋则增强墙体抵抗剪切的能力。
5.屈曲约束钢板剪力墙:o在特殊设计的剪力墙中,如两边连接屈曲约束钢板剪力墙,通过引入钢板提高剪力墙的延性和耗能能力,钢板在剪力墙发生塑性变形时起到约束作用,从而改变墙体的受力机理,提高结构的抗震性能。
总结起来,剪力墙的受力机理在于其利用自身材料(混凝土和钢筋)的物理力学特性,通过合理设计和布置钢筋,确保在不同荷载工况下能够有效地分散、传递和消耗各种荷载,实现结构的安全和稳定。
第五讲(一)剪力墙结构的内力、位移计算本章内容:一、剪力墙结构的计算图1、剪力墙结构的计算图—水平荷载下剪力墙的计算截面2、剪力墙的分类(1)整体墙和小开口整体墙(2)双肢剪力墙和多肢剪力墙(3)框支剪力墙(4)开有不规则大洞口的墙二、剪力墙构件的受力特点和分类依据1、影响剪力墙受力性能的两个主要指标(1)肢强系数(2)剪力墙整体性系数2、单榀剪力墙受力特点(水平力作用下墙肢中的整体弯矩和局部弯矩)3、剪力墙的分类(1)整截面剪力墙(2)整体小开口剪力墙(3)联肢剪力墙(4)壁式框架三、剪力墙的计算方法1、整体墙和小开口整体墙的计算2、双肢墙的计算1)连续连杆法的基本假设2)力法方程的建立3)基本方程的解4)双肢墙的内力计算5)双肢墙的位移与等效刚度6)关于墙肢剪切变形和轴向变形的影晌7)关于各类剪力墙划分判别式的讨论一、剪力墙结构的计算图1、剪力墙结构的计算图—水平荷载下剪力墙的计算截面下图为一高层建筑剪力墙结构的平面布置及剖面示意图.从图中可以看出,剪力墙结构是由一系列的竖向纵、横墙和平面楼板组合在一起的—个空间盒子式结构体系.按照对高层建筑结构计算的基本假定及计算图取法,它可以按纵、横两方向的平面抗侧力结构进行分析。
为了方便,下面采用简单的图形说明问题。
下图所示为剪力墙结构,在横向水平荷载作用下,只考虑横墙起作用,而“略去”纵墙的作用.在纵向水平荷载作用时,只考虑纵墙起作用,而“略去”横墙的作用。
需要指出的是,这里所谓“略去”另一方向剪力墙的影响,并非完全略去,而是将其影响体现在与它相交的另一方向剪力墙结构端部存在的翼缘,将翼缘部分作为剪力墙的一部分来计算.根据《高层规程》的规定,计算剪力墙结构的内力和位移时,应考虑纵、横墙的共同工作,即纵墙的一部分可作为横墙的有效翼缘,横墙的一部分也可作为纵墙的有效冀缘。
现浇剪力墙有效翼缘的宽度i b可按下表所列各项中最小值取用。
剪力墙通常是布置得规则、拉通、对直的.在双十形和井形平面的建筑中,当各墙段轴线错开距离a不大于实体连接墙厚度的8倍,且不大于2。
剪力墙的内力计算方法剪力墙的内力计算方法1. 引言剪力墙是一种常用的结构墙体,用于承受纵向荷载和地震力。
在设计剪力墙时,需要进行内力计算以确定墙体的尺寸和配筋。
本文将详细介绍剪力墙的内力计算方法,包括水平荷载的引入、剪力分布的确定和内力计算的具体步骤。
2. 水平荷载的引入剪力墙主要承受水平荷载引起的剪力作用。
水平荷载可以分为地震力和风载荷载两种情况。
地震力是剪力墙设计中最重要的荷载,根据地震区划和设计等级确定地震作用。
风载是根据建筑物高度、形状和地理位置等确定的。
在内力计算中,需要将这些水平荷载引入计算模型。
3. 剪力分布的确定剪力墙的内力分布是根据墙的几何形状和荷载情况来确定的。
通常情况下,剪力墙受到的剪力是不均匀分布的,因此需要确定剪力的分布规律以进行内力计算。
常用的剪力分布假设有均布剪力、三角形剪力和梯形剪力等。
4. 内力计算的具体步骤进行剪力墙的内力计算时,可以按照以下步骤进行:(1) 确定剪力墙的尺寸和布置,包括墙体的高度、厚度和纵向间距等。
(2) 确定荷载情况,包括水平荷载和垂直荷载。
(3) 根据荷载情况和剪力分布规律,确定墙体各截面的剪力大小。
(4) 根据墙体的材料性能和截面形状,计算截面的抗剪强度。
(5) 对于超过抗剪强度的截面,需要进行配筋计算,并根据构造措施确定墙体的抗剪能力。
(6) 根据内力计算结果,进行剪力墙尺寸和配筋的调整。
5. 附件本文档所涉及的附件如下:附件1:剪力墙设计图纸附件2:剪力墙内力计算表格6. 法律名词及注释本文档所涉及的法律名词及注释如下:1) 剪力墙:一种用于承受水平荷载的墙体结构。
2) 内力计算:根据力学原理和设计要求,计算结构内部的受力情况和内力大小。
结构内力的概念结构内力是指物体在受力作用下产生的内部力。
在力的作用下,物体内部的分子、原子、离子等会发生相互作用和运动,从而引起内部力的产生。
结构内力广泛应用于工程领域,常见于建筑物、桥梁、船舶等结构体。
当外力作用于结构体时,结构体内部的构件相互之间会发生同一方向或相反方向的力的作用,这些力就是结构内力。
结构内力可以分为以下几种类型:1. 弯矩内力:当物体受到外力作用时,物体内部的构件会发生弯曲变形,这时构件上会产生一个垂直于构件轴线的作用力,即弯矩内力。
弯矩内力的大小和方向与作用力大小和位置有关。
2. 剪力内力:当物体受到外力作用时,物体内部的构件会发生切变变形,这时构件上会产生平行于构件截面的作用力,即剪力内力。
剪力内力的大小和方向与作用力大小和位置有关。
3. 拉力内力:当物体受到拉力作用时,物体内部的构件会发生拉伸变形,这时构件上会产生沿着作用力方向的内力,即拉力内力。
拉力内力的大小等于作用力的大小。
4. 压力内力:当物体受到压力作用时,物体内部的构件会发生压缩变形,这时构件上会产生与作用力方向相反的内力,即压力内力。
压力内力的大小等于作用力的大小。
5. 弹性内力:当物体发生形变后,恢复原状时所产生的内力,即弹性内力。
例如,当物体受到外力作用后发生弹性变形,结构内部的分子、原子、离子等会发生相互作用和运动,恢复原状时产生的内部力即为弹性内力。
结构内力的作用不仅包括了上述几种类型内力,还包括其它各种内力。
这些内力的大小和方向与结构体的几何形状、结构材料的性质以及外力的作用方式有关。
结构内力的研究对于工程设计和施工至关重要。
通过分析和计算结构内力,可以确定结构的稳定性、安全性和可靠性,为工程设计提供重要的依据。
同时,结构内力的研究还可以指导结构材料的选择、构件的尺寸设计以及施工过程中的力学控制,从而保证工程的质量和安全。
总之,结构内力是物体在受力作用下产生的内部力,包括弯矩内力、剪力内力、拉力内力、压力内力和弹性内力等。
剪力墙结构的内力与位移计算在现代建筑结构设计中,剪力墙结构因其良好的抗震性能和空间整体性而被广泛应用。
要确保剪力墙结构的安全性和稳定性,准确计算其内力与位移至关重要。
接下来,让我们一起深入探讨剪力墙结构内力与位移计算的相关知识。
剪力墙,简单来说,就是主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载的墙体。
它如同建筑物的坚强卫士,能够有效地抵抗侧向力,保障建筑的稳定。
内力计算是剪力墙结构设计的关键环节之一。
在水平荷载作用下,剪力墙会产生弯矩、剪力和轴力。
计算这些内力时,需要考虑多种因素。
首先是荷载的确定。
水平荷载通常包括风荷载和地震作用。
风荷载的大小取决于建筑物所在地区的基本风压、体型系数以及高度等因素。
地震作用则需要根据抗震设防烈度、场地类别等进行计算。
其次,剪力墙的几何形状和尺寸对内力计算有着重要影响。
比如,墙的长度、厚度以及开洞情况等。
开洞会使剪力墙的刚度发生变化,从而影响内力分布。
在计算方法上,常用的有等效抗弯刚度法和有限元法等。
等效抗弯刚度法相对简单,适用于规则形状的剪力墙。
它将剪力墙等效为一个具有一定抗弯刚度的杆件,通过结构力学的方法计算内力。
有限元法则能够更精确地模拟剪力墙的复杂受力情况,适用于各种形状和开洞的剪力墙,但计算过程相对复杂。
位移计算同样不容忽视。
位移过大可能导致建筑物使用功能受限,甚至影响结构的安全。
计算剪力墙的位移,需要先确定其侧向刚度。
侧向刚度与剪力墙的材料、几何形状、边界条件等密切相关。
对于混凝土剪力墙,其刚度会随着混凝土的龄期和受力状态而变化。
在计算位移时,要考虑多种因素的影响。
比如,梁和柱对剪力墙的约束作用,以及填充墙等非结构构件对结构刚度的贡献。
实际工程中,为了更准确地计算剪力墙结构的内力和位移,通常会借助计算机软件进行分析。
这些软件基于各种成熟的计算理论和算法,能够快速给出精确的结果。
然而,软件计算结果并不是绝对可靠的,工程师需要对其进行判断和校核。
这就要求工程师具备扎实的专业知识和丰富的工程经验,能够识别计算结果中的不合理之处,并进行必要的调整。
剪力墙原理
剪力墙是一种常见的结构形式,在地震和风荷载等环境下具有较好的抗震和抗风性能。
它通过在建筑结构中设置墙体,形成一个或多个垂直方向上的连续墙体结构,从而实现对水平荷载的抵抗。
剪力墙的原理基于墙体的剪力传递和墙体本身的受力机理。
在一次侧向加载中,剪力墙将建筑结构的横向荷载(如地震和风荷载)通过剪切力传递到地基上。
墙体吸收和分散荷载的能力主要依靠两种机制:剪切墙本身的刚度和墙体与其他结构构件(如梁、柱)的连接。
当地震或风荷载作用在建筑结构上时,由于地震波的地表运动或风力的作用,建筑结构会发生侧移和变形。
剪力墙的作用就是通过其本身的刚度和稳定性来抵抗这种侧移和变形,使荷载得以平稳传递。
墙体沿垂直方向具有较高的刚度和强度,能够有效地吸收和承担大部分剪切力,避免结构出现严重破坏。
剪力墙的连接形式也是确保其正常工作的重要因素。
墙体与结构的连接通常采用钢筋混凝土的横向配筋,以保证墙体和结构之间有良好的力传递和耗能能力。
此外,墙体上开设的门窗、肢体墙等部位也需要进行适当的设计和加强,以确保结构整体的抗震安全性。
综上所述,剪力墙在抵抗水平荷载方面的原理主要包括墙体的剪力传递和墙体本身的刚度和稳定性,以及墙体与其他结构构
件的连接。
这种结构形式可以有效地提高建筑结构的抗震和抗风性能,保障建筑物在地震和风灾等恶劣环境下的安全性。
第五讲(一)剪力墙结构的内力、位移计算本章内容:一、剪力墙结构的计算图1、剪力墙结构的计算图—水平荷载下剪力墙的计算截面2、剪力墙的分类(1)整体墙和小开口整体墙(2)双肢剪力墙和多肢剪力墙(3)框支剪力墙(4)开有不规则大洞口的墙二、剪力墙构件的受力特点和分类依据1、影响剪力墙受力性能的两个主要指标(1)肢强系数(2)剪力墙整体性系数2、单榀剪力墙受力特点(水平力作用下墙肢中的整体弯矩和局部弯矩)3、剪力墙的分类(1)整截面剪力墙(2)整体小开口剪力墙(3)联肢剪力墙(4)壁式框架三、剪力墙的计算方法1、整体墙和小开口整体墙的计算2、双肢墙的计算1)连续连杆法的基本假设2)力法方程的建立3)基本方程的解4)双肢墙的内力计算5)双肢墙的位移与等效刚度6)关于墙肢剪切变形和轴向变形的影晌7)关于各类剪力墙划分判别式的讨论一、剪力墙结构的计算图1、剪力墙结构的计算图—水平荷载下剪力墙的计算截面下图为一高层建筑剪力墙结构的平面布置及剖面示意图。
从图中可以看出,剪力墙结构是由一系列的竖向纵、横墙和平面楼板组合在一起的—个空间盒子式结构体系。
按照对高层建筑结构计算的基本假定及计算图取法,它可以按纵、横两方向的平面抗侧力结构进行分析。
为了方便,下面采用简单的图形说明问题。
下图所示为剪力墙结构,在横向水平荷载作用下,只考虑横墙起作用,而“略去”纵墙的作用。
在纵向水平荷载作用时,只考虑纵墙起作用,而“略去”横墙的作用。
需要指出的是,这里所谓“略去”另一方向剪力墙的影响,并非完全略去,而是将其影响体现在与它相交的另一方向剪力墙结构端部存在的翼缘,将翼缘部分作为剪力墙的一部分来计算。
根据《高层规程》的规定,计算剪力墙结构的内力和位移时,应考虑纵、横墙的共同工作,即纵墙的一部分可作为横墙的有效翼缘,横墙的一部分也可作为纵墙的有效冀缘。
现浇剪力墙有效翼缘的宽度i b可按下表所列各项中最小值取用。
剪力墙通常是布置得规则、拉通、对直的。
在双十形和井形平面的建筑中,当各墙段轴线错开距离a不大于实体连接墙厚度的8倍,且不大于2.5m时,整片墙可以作为整体平面剪力墙考虑,计算所得内力应乘以增大系数1.2,等效刚度应乘以折减系数0.8。
当折线形剪力墙的各墙段总转角不大于15度时,可按平面剪力墙考虑。
2、剪力墙的分类以上是从平面布置的角度对剪力墙结构计算图的一些分析。
每榀剪力墙从其本身开洞的情况又可以分为各种类型。
由于墙的型式不同,相应的受力特点、计算图与计算方法也不相同。
(1)整体墙和小开口整体墙没有门窗洞口或只有很小的洞口,可以忽略洞口的影响。
这种类型的剪力墙实际上是—个整体的悬臂墙,符合平面假定,正应力为直线规律分布,这种墙叫整体墙。
当门窗洞口稍大一些,墙肢应力中已出现局部弯矩,但局部弯矩的值不超过整体弯矩的15%时,可以认为截面变形大体上仍符合平面假定,按材料力学公式计算应力,然后加以适当的修正。
这种墙叫小开口整体墙。
(2)双肢剪力墙和多肢剪力墙开有—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。
由于洞口开得较大,截面的整体性已经破坏,正应力分布较直线规律差别较大。
其中,洞口更大些,且连梁刚度很大,而墙肢刚度较弱的情况,已接近框架的受力特性,有时也称为壁式框架。
(3)框支剪力墙当底层需要大的空间,采用框架结构支承上部剪力墙时,就是框支剪力墙。
(4)开有不规则大洞口的墙有时由于建筑使用的要求会出现开有不规则大洞口的墙。
二、剪力墙构件的受力特点和分类依据剪力墙又称结构墙或抗震墙,其高度一般与整个房屋的高度相同,宽度也较大,但厚度却很薄,一般仅200~300mm。
因此,剪力墙在其墙身平面内的侧向刚度很大,而出平面的刚度很小,可忽略不计。
剪力墙可看作为底部固定在基础顶面的竖向悬臂板,在屋面和中间楼层处,楼、屋盖支承在剪力墙上,它们把竖向荷载和水平荷载传给剪力墙的同时,也起着支撑约束剪力墙的作用,防止剪力墙发生出平面失稳。
剪力墙上开门窗洞口后,使洞口至墙边及相邻墙肢之间形成墙肢,上下洞口间形成连梁。
所以剪力墙是由墙肢和连梁两类构件组成。
如下图所示。
1、影响剪力墙受力性能的两个主要指标 (1)肢强系数ζ定义jA AA I I I I I +==ζ为肢强系数,A I 为所有墙肢截面对组合截面形心o 的面积矩之和∑=2ji ji A rA I ,∑=ji j I I 为所有墙肢截面惯性矩之和。
洞宽趋近于零时,ζ趋近于0.75;洞宽等于墙肢截面高度时,923.0=ζ。
可见ζ越小,洞宽小,墙肢强。
*剪力墙与框架的判别如果墙上洞口宽度增大,墙肢的截面高度就减小,肢强系数ζ增大,墙肢变弱。
当洞口宽度增大到在水平力作用下,每个楼层的墙肢都有反弯点时,就不再是剪力墙,而是壁式框架了。
研究表明,肢强系数Z ≤ζ时,大多数楼层的墙肢将不出现反弯点,即为剪力墙,肢强系数Z >ζ时,为框架或壁式框架。
Z 值可查下表取得:(2)剪力墙整体性系数定义α为剪力墙整体性系数,α大,连梁对墙肢的约束弯矩大,整体性大,局部弯矩小。
剪力墙的各个墙肢是由连梁连接起来的,因此连梁相对于墙肢的强弱对剪力墙的受力性能有很大影响。
连梁与一般两端固定的等截面梁有两点不同:一是连梁两端是有刚域的(如下图)刚域是指抗弯刚度为无限的刚臂,刚臂长度可取为:b h a a 411-=β;b h a a 412-=γ当连梁两端1、2处各有一个单位转角时,杆件'1'2在'1与'2处除了有单位转角外,还有竖向位移a β和a γ,'1与'2之间总竖向相对位移为)(a a γβ+,因此由单位转角产生的杆端'1、'2处弯矩:lEI mmb 6'12'21''''==由竖向相对位移)(a a γβ+产生的杆端'1、'2处弯矩:)(62''12''21''''a a lEI m m bγβ+== 200121GAl EI EI EI b b b μ+=0b EI 为不考虑剪切变形影响的连梁截面弯曲刚度,A 为连梁的截面面积。
最后得转角刚度3212l a EI M b b =若剪力墙有m 列洞口,层高和总高分别为h 和H ,则剪力墙中所有连梁的转角刚度总和∑∑===mj j jbj mj b l a I h EHh H M 132112与m列洞口对应的是1+m 列墙肢。
设墙肢j 的抗弯线刚度为HEI j /,则所有墙肢抗弯线刚度总和为∑+=11m j j HEI 。
令2α为连梁的总转角刚度与墙肢抗总弯线刚度∑+=11m j j HEI 之比,则∑∑+===11132212m j j mj jjbj I H El a I h EHτα故∑∑=+==mj jjbj m j jla I I h H1321112τα定义α为剪力墙整体性系数,α大,连梁对墙肢的约束弯矩大,整体性大,局部弯矩小。
小结:肢强系数ζ实质上反映了洞口宽度对开洞剪力墙受力的影响;α实质上反映了洞口高度对开洞剪力墙受力的影响。
对于双肢墙,213212)(12I I I Il I I h a I Hb --+=α2、单榀剪力墙受力特点 对任意高度处的截面,有:Na M M M ++=)(21∑==ni biV N 1∑=+=ni biV a a Na 121)(可见,(1)任意截面x的弯矩M是由局部弯矩)(21MM 和整体弯矩Na两部分组成的,整体弯矩大,局部弯矩就小;(2)任意截面x的整体弯矩等于该截面以上所有连梁约束弯矩的总和,因此,整体弯矩是由连梁提供的,整体弯矩越大,两个墙肢共同工作的程度越大,越接近于整体墙。
整体弯矩的大小反映了墙肢之间协同工作的程度,这种程度称为剪力墙的整体性。
3、剪力墙的分类矩形洞口成列成排规则布置的高剪力墙可分为整截面剪力墙、整体小开口剪力墙和联肢剪力墙及壁式框架四类。
判别方法如下。
(1)整截面剪力墙如同时满足以下两点则认为是整截面剪力墙:1)洞口面积小于整个墙面立面面积的15%;2)洞口之间的距离及洞口至墙边的距离均大于洞的长边尺寸。
(2)整体小开口剪力墙当Z≤ζ,且10≥α时,整体小开口剪力墙(3)联肢剪力墙当Z≤ζ,且101<<α时,为一般联肢剪力墙当Z ≤ζ,且1≤α时,为铰接连杆联结的两片剪力墙(4)壁式框架 当Z >ζ,10>>α时,为壁式框架。
综上所述,矩形洞口的宽度和高度的相对大小十分重要, 1)当洞口过宽,使Z >ζ时,由于墙肢过弱,成为壁式框架。
2)当洞口不过宽,Z ≤ζ时,才是剪力墙。
这时,如果洞口高度过大,使得10<α,就属于连肢墙;,如果洞口高度不过大,满足10≥α,就属于整体小开口墙。
可见,洞口相对宽度的影响是根本性的,只有在它满足了属于剪力墙的要求Z ≤ζ后,洞口相对高度的影响才起作用。
三、剪力墙的计算方法剪力墙结构随着类型和开洞大小的不同,计算方法与计算简图的选取也不同。
(1)整体墙和小开口整体墙基本上采用材料力学的计算方法。
(2)连梁连续化的分析方法此法将每一层楼层的连系梁假想为分布在整个楼层高度上的一系列连续连杆,借助于连杆的位移协调条件建立墙的内力微分方程,解微分方程便可求得内力。
这种方法可以得到解析解,特别是将解答绘成曲线后,使用还是比较方便的。
通过试验验证,其结果的精确度也还是可以的。
但是,由于假定条件较多,使用范围受到局限。
(3)带刚域框架的算法将剪力墙简化为一个等效多层框架。
由于墙肢及连梁都较宽,在墙梁相交处形成一个刚性区域,在这区域内,墙梁的刚度为无限大。
因此,这个等效框架的杆件便成为带刚域的杆件。
(4)有限单元法将剪力墙结构作为平面问题(或空间问题),采用网格划分为矩形或三角形单元,取结点位移作为未知量,建立各结点的平衡方程,用电子计算机求解。
采用有限单元法对十任意形状尺寸的开孔及任意荷载或墙厚变化都能求解,精确度也较高。
1、整体墙和小开口整体墙的计算(1)整体墙的计算凡墙面门窗等开孔面积不超过墙面面积15%,且孔间净距及孔洞至墙边的净距大于孔洞长边尺小时,可以忽略洞口的影响,认为平面假定仍然适用,截面应力的计算可以按照材料力学公式进行计算。
计算位移时,可按整体悬臂墙的计算公式进行,但要考虑洞口对截面面积及刚度的削弱,按以下公式取值。
等效截面面积A取无洞截面的横截面面积A乘以洞口削弱系数0 :qI取有洞与无洞截面惯性矩沿竖向的加权平均值:等效惯性矩q此外,计算位移时,由于截面比较宽,宜考虑剪切变形的影响。
在三种常用荷载作用下,考虑弯曲和剪切变形后的顶点位移公式为:式中,0V 是基底H x 处的总剪力,即全部水平力之和。