钢框架内嵌带竖缝混凝土剪力墙结构的建议设计方法.pdf

四川建 筑科学研究 S i c hu a n B ui l d i n g Sc i e n c e 第 3 6卷第 6期 2 0 1 0年 1 2月 钢框架内嵌带竖缝混凝土剪力墙结构的建议设计方法 陈志杰 ， 米旭峰 ( 1 太原明远工程监理有 限公司 ， 山西 太原0 3 0 0 0 2 ； 2 江苏科技大学土木与建筑工程学院 ， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 ) 摘要： 为满足带竖缝钢筋混凝土剪力墙的设计原则 ， 提出了若干补充计算和构造措施以实现竖缝墙的设计思想， 建议采用 壁式框架力学模型对结构进行计算分析。并通过参考钢筋混凝土设计规范( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) ， 对原有竖缝剪力墙设计方法进 行了改进。 关键词： 竖缝剪力墙 ； 钢框架 ； 设计方法 中图分类号 ： T U 3 1 8 1 ； T U 9 7 3 1 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 4 60 4 A s u g g e s t i o n o f d e s i g n me t h o d o f s t e e l f r a me RC i n fil l s l i t wa l l e d s y s t e m C HE N Z h i j i e MI Xu f e n g ( 1 T a i y u a n Mi n g y u a n E n g i n e e r i n g S u p e r v i s i o n L t d ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 2 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g a n d A r c h i t e c t u r e ， J i a n g s u U n i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Z h e i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S e v e r a l s u p p l e me n t a r y d e s i g n r u l e s a n d d e t a i l i n g r e q u i r e me n t s a r e p r o p o s e d t o i mp l e me n t t h e d e s i g n p h i l o s o p h y o f the s l i t wa l 1 Th e pa pe r s u g g e s t e d a wa ll c o l u mn mo d e l wh i c h wa s u s e d t O a na l y z e RC s l i t wa l 1 Th e d e s i g n me t h o d f o r t h e r e i n f o r c e d s l i t wa l l b a s e d o n t h e d e s i gn p r o c e d u r e f o r b e a m c o l u mn s i n Ch i n e s e c o d e f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 i s rec o mme n d e d i n s t e a d of t h e c u r r e n tl y s p e c i fi e d me t h o d i n J GJ 9 99 8 Ke y wo r ds： s i l t s wa l l ； s t e e l f r a me； d e s i g n me t h o d 0 引 言 作为一种抗震结构采用的抗侧力结构体系 ， 钢 框架内嵌带竖缝 的钢筋混凝土剪力墙在我国已有相 当广泛的使用 ， 我国 J G J 9 9 9 8 高层 民用建筑钢结 构技术规程 在附录六给出了竖缝墙的设计原则 和具体的设计计算方法， 这与文献 2 中的设计原 则是一致。但规程( J G J 9 9 9 8 ) 中给出竖缝墙 的构 造措施并不能满足其设计原则 ， 会将钢框架承担 的竖向荷载传递到剪力墙 ， 造成墙板的延性大大降 低， 无法发挥竖缝墙特殊的抗震性能。 1 带 竖缝 剪 力墙 的 设计 原 则 与外 形 参数 带竖缝混凝土剪力墙在设计中， 应 只承受水平 荷载产生的剪力 ， 不考虑承受竖向荷载产生的压力。 墙板的几何尺寸如图 1 所示。 收稿 日期： 2 0 0 9 - 0 4 1 4 作者简介： 陈志杰( 1 9 7 7一) ， 男 ， 山西太原 人 ， 工学学 士， 工程师 ， 主 要从事高层结构的构造与施工研究。 基金项 目： 江苏省普通高校 自然科学研究计划项 目( 2 0 0 8 C H 0 6 4 J ) E ma i l ： f e e l i n g 5 3 2 7 1 6 3 c o m 一一一 j 主 兰 2 t 止 I 三l l g f0 一 图 1 竖缝剪力墙 结构 的外形 Fi g 1 S t e e l f r ame r e i nf o r c e d c on c r e t e i n fii l s l i t wa l l ed s y s t e m 竖缝的数 目及其尺寸 ， 应满足下列要求： h 1 O 4 5 h 0 ， 0 6 Z l h 1 O 4 ， h 。 。 l Z l ( 1 ) 式中h 。 每层混凝土剪力墙部分的高度； h 竖缝的高度； 。 实体墙部分 的高度； z 竖缝墙墙肢 的宽度， 包括缝宽。 竖缝墙板的厚度 t 由缝间墙斜截面抗剪承载力 和实体墙斜截面抗剪承载力计算公式确定： ( 2 ) 式中 k 是竖 向约束力对实体墙斜截面抗剪承载 力的影响系数： 陈志杰 ， 等 ： 钢框架 内嵌 带竖缝混凝 土剪力墙结构 的建议设计方法 4 7 式中叼 剪力设计值调整系数 ， 可取 1 2 ； 混凝土抗压强度设计值 ； 当 采 含 须 按 式补充计算钢梁梁端剪力 ： 剪应力不均匀修正系数 ， A 。 =0 8( 一 1 ) n 。 ， 凡 为墙肢的数量 ； 单肢竖缝墙的剪力设计值 ； Z 。 单肢缝间墙的净宽 ， Z 。=z 一缝宽 ， 缝 宽一般取为 1 0 mm； a 墙肢内受拉钢筋截面形心到竖缝墙混 凝土边缘的距离 。 2 计算模型 J G J 9 9 9 8 提出的竖缝剪力墙的计算模 型是 将竖缝墙替换为抗侧刚度相同的等效交叉支撑或等 效剪切膜计算 ， 但 由于钢框架竖缝墙结构的构造， 在 剪力墙与框架柱之间存在一定的空隙， 并没有考虑 钢框架的变形影响。这样就不能准确得出结构的抗 侧刚度， 从而造成结构设计中的不安全因素。 正常使用极限状态下， 在钢框架内嵌带竖缝剪 力墙的作用效应计算 中， 竖缝剪力墙的刚度计算采 用现行国家标准 G B 5 0 0 1 02 0 0 2 混凝 土结构设计 规范 第 5 2 4条 的规定 ， 此时必须考 虑如下 变 形分量 ： ( 1 ) 单位侧向力作用下缝间墙的弯曲变形 ： 。 1： E 。 f ( 2 ) 单位侧向力作用下缝间墙 的剪切变形 ： A s2=1 2 h 1 G 。 z 1 |0 t ( 3 ) 单位侧 向力作用下上、 下实体墙部分 的剪 切变形 ： 。=1 2 ( h 0一h 1 ) G 。 f 0 ( 4 ) 单位侧向力作用下钢梁腹板剪切变形产生 的层 间侧移： A b=h G Z t nl 式中 z 。 竖缝墙的总宽度 ， =z i ； E 混凝土的弹性模量； G 。 混凝土的剪切模量； G 钢材的剪切模量 ； f i 第 i 个墙肢的宽度 ， 包括缝宽 ； f l i0 第 i 个墙肢的净宽 ， f 0 =f i 一缝宽 ； h层高 ； z 钢梁净跨度 ； 钢梁腹板的厚度。 竖缝剪力墙总体抗侧刚度由下式得出： = h ( 5 ) 式 中 是竖缝墙承担的总剪力 。 由于竖缝剪力墙的设计原则 ， 竖缝剪力墙不承 担竖向荷载 ， 所 以也可 以采用如 图 2所示特殊的壁 式框架模型计算。在模 型中， 图 2中各个部分的刚 度和尺寸规定如下 ： 一 ) E I 厂 、 、 人 t (二 ) I I 幽山 l 嗣 l + _一 图 2 壁式框架计算模型 Fi g 2 W a l l - c o hma n f r a me s y s t e m mode l of f r a m e re i n f o r c e d c onc r e t e i ni d l s l i t wa l l ed s ys t e m ( 1 ) 缝间墙简化 为的柱 ， 如 图 2中 的 A段柱。 缝 间墙简化的柱只有抗弯刚度和抗剪刚度 ， 而没有 轴压刚度。A段部分的长度为 h = h ， + 2 0 2 5 。 。 ( 2 ) 竖缝墙 中的实体墙部分简化为图 2中的 段柱。这段柱就是壁式框架模型中的刚域 ， 但是在 这里刚度不是无穷大， 其刚度取为： 1 1 ， gi = ， 通常 i 一 ( 6 ) “l 1 Gc g i G oA 。 ， 通常 A 一 几 - ， -a ( 7 ) 式 中 i 第 i 个实体墙转化为刚域截面的惯性 矩 ： 。 。 整个实体墙截面的惯性矩 ， = 1 实体墙 部分 的水 平截 面面 积， A = l o t ； A i 第 个实体墙转化为刚域截面面积 。 在 模型中， 此段刚 域的长 度是h = ( h 。 一 h ) 一 0 2 5 1 0 。 ( 3 ) 钢梁高度范 围内简化 的柱 ， 如图 2中的 C 4 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 段柱， 钢梁在高度范围内可认为其抗弯刚度是无穷 大 ， 但抗剪刚度是有限的， 剪切面积为钢梁腹板的沿 梁长的截面面积。在模型中， 这部分 刚域的抗剪刚 度是 G Z t ， Z 为钢梁腹板沿梁 的长度， 为钢梁腹 板的厚度。 ( 4 ) 图 2中 D段梁 ， 钢梁与墙板无连接， 模型中 的梁与框架竖缝墙结构中的梁完全相同， 这段梁的 长度 d 为竖缝墙边缘到框架柱中线的距离。 ( 5 ) 图 2中所示的 E段梁， 与钢梁之间有连接 ， 模型中 梁的 抗弯刚度计算公式取为E I b + E 击 ( 2 + h ) 一 ， 式中， b 是钢梁截面惯性矩。E 段梁的轴压刚度为 E 。 +2 E 琥 。 抗剪 刚度为 E Ab w+2E s 0 l 1 2。 3 墙板承载力计算 ( 1 ) 墙板 的承载力 ， 以一个缝间墙 及在相应范 围内的实体墙作为计算对象。 ( 2 ) 缝间墙两侧 的纵向钢筋 ， 按对称配筋大偏 心受压构件计算确定。缝根截面内力按下式确定： M = V 1 ( 8 ) N 1=0 9 V l ( 9 ) P = =p ( 1 a1 o )、 p p 。 宜控制在 0 0 7 5 0 1 8 5 ， 且实配钢筋面积不 宜超过计算所需面积的 5 。若超 出此范 围过多， 则应重新调整缝 间墙肢数 n 、 缝 问墙尺寸 2 ， h 以 及 。 ( 受力纵筋合力中心至缝间墙边缘的距离) ， 的值 ， 使 P 。 尽可能控制在上述范围内。 ( 3 ) 缝间墙属于矩形截面的钢筋混凝土偏心受 压构件 ， 按 照 混 凝 土 结构 设 计 规 范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中规定 ， 此类截面其斜截面受剪承载力为 ： ( 1 1 ) 式中 A偏 心受压构件计算截 面的剪跨 比， A ：hi l 1 l o ； s 沿构件长度方向的箍筋间距； A 配置在 同一截面箍筋 各肢的全部截 面 面积 ； 厂 v 箍筋的抗拉强度设计值 ； 混凝土抗拉强度设计值。 ( 4 ) 缝间墙弯曲破坏时的最大抗剪承载力 ： I ， b=l l t x f o I, 1 ( 1 2 ) ， =一 B + N B 2A f y(lI - 2 a I ) ( 1 3 ) 式中 为缝根截面的缝间墙混凝土受压区高度； B b 1 +0 0 03 h 。 ( 5 ) 竖缝墙的配筋及其构造应满足 O 9 v ， 以确保竖缝墙墙肢发生延性较好的压弯破坏。 4 墙板骨架曲线(VM曲线) ( 1 ) 缝 间墙纵筋屈服时的总受剪承载力 和 墙板 的总体侧移 2 ， 按下列公式计算 ： -= 4 ( 1 4 ) , = 1 K y ( 1 5 ) K =B 1 2 ( ) ( 1 6 ) = 3 5 2 0 ( ) 】 ( ) ( 1 7 ) 式中 系数 ， 参见文献 1 ； A 缝问墙所配纵筋截面面积 ； 缝间墙纵筋屈服 时墙板 的总体抗侧 力刚度 ； 考虑剪切变形影响的刚度修正系数； 水平横向钢筋的屈服强度标准值； B ， 缝间墙抗弯刚度， 按 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 的规定确定 。 ( 2 ) 缝间墙弯 曲破坏时的最大抗剪承载力 和墙板的总体最大侧移 2 ， 可按下列公式计算 ： l=1 1 t x f k t , 1 ( 1 8 ) = ，+( 一 ) ( 1 9 ) K =0 2 K , ( 2 0 ) = 一 日 十 + (2 1 ) 式中K 1， 缝间墙达到弯压最大荷载力时的总体 抗侧移刚度； 缝根截面的缝问墙混凝 土受压区高 度； B =2 1 1 8+0 0 0 3h 0 。 ( 3 ) 墙板的极限侧移可按下式确定 引： ma x： L1 0 ( 2 2 ) x 2 0 1 0 N o 6 陈志杰， 等： 钢框架内嵌带竖缝混凝土剪力墙结构的建议设计方法 4 9 墙板 曲线如图 3所示 。 图 3 墙板 的 Vu曲线 Fi g 3 Cu r v e o f V U i n t h e wa l l s 5 梁 柱 连 接 强 度、 梁 腹板 稳定 性 、 竖 缝墙和钢柱的连接强度 、 预埋件连接 强 度验算 5 1 梁柱连接和梁腹板的抗剪强度必须满足 n s v h Q 一( 2 3 ) n 式 中 增强系数 ， 梁柱连接的抗剪强度计算 时 ， 取 J8=1 2， 梁腹板抗剪强度计算 时 ， 取 = 1 0； 单肢剪力墙弯曲破坏时最大抗剪承载 力 。 当( 2 3 ) 式不满足时 ， 可以采用 图 1中 所示的 增加钢柱和竖缝墙 的连接 ， 以增加竖缝墙 和钢柱抗 剪面的抗剪能力。图 1中的 部位必须在实体墙的 中间高度处。 5 2 采用蜂窝梁时采用( 2 4) 式计算长细比 按照 b曲线计算梁腹板受竖缝墙膨胀力作用下 的稳定性 ， 按照蜂窝梁桥墩最小截面计算稳定承载 力 ， 稳定系数按照如下长细比查表： A =0 7 J 3 h t ( 2 4 ) 对实腹梁 ， 则取 0 5 h 作为计算长度 ， 长细 比为 A = t ( 2 5 ) 式中 是钢梁腹板的高度。 5 3钢梁、 钢柱和竖缝墙的连接 ( 1 ) 竖缝墙与框架 的连接 如图 1所示 ， 钢梁与 墙板的高强螺栓连接， 除4个角部 的连接件外 ， 中间 部位的连接采用竖向 I ： 3 的椭 圆孔的方 法， 连接如 图 5所示 。角部和 部位 的高强螺栓采用 C类 圆 孔 。 ( 2 ) 每肢竖缝墙对于一个连接件， 每个连接件 上有 n个摩擦型高强螺栓 ， 受力应满足 ： 、 丽 =0 9 n z P ( 2 6 ) 采用椭 圆孔螺栓连接 时， 必须采用扭矩法施加 预拉力或采用扭剪型高强螺栓 ， 垫圈的硬度必须加 大或采用加垫板方法使得压力扩散开 ， 如图4所示。 I I t 十+： ， ： ： lL 一 - 十_ 一 十 一 士 一 垫 板耘 图 4 墙板上端和钢梁连接方式 Fi g 4 Co n n e c t i o n s b e t we e n t h e wa l l s a n d g d e r s ( 3 ) 高强螺栓的数量应该满足 ： V o n sm i n ( b I】 ， ) ( 2 7 ) 式 中 几 。 是一个竖 缝墙肢分 担的高强螺栓数 目； ， 分别是高强螺栓连接 的极 限抗剪和极限承 压 承载力 。 5 4竖缝墙内预埋钢板连接计算 竖缝剪力墙通过预埋钢板 和钢粱进行连接 ， 而 预埋的钢板通过栓钉固定在混凝土墙中。如图 5所 示 ， 设 ， 1 作用在钢梁 和预埋 钢板连接螺栓群的 形心， 与栓钉群 的形心的距离为 C， 单个栓钉受扭产 生剪力 b 的 和 Y方向的分力分别为： 7 + ( 2 8 ) N1 N , y + ( 2 9 ) + ) 式 中 i ， Y i 第 i 个栓钉的坐标 ， 最大值为 ， Y ； T= C， 是栓钉群受到的扭矩 ； n 预埋件单面的栓钉数量。 图5 竖缝剪力墙中的预埋钢板 Fi g 5 Pr e - e mbe dde d s t e e l s l a b i n t h e s l i t wa l l s ( 下转第5 9页) 2 0 1 0 N o 6 金杰： 实腹式单跨石拱桥空间受力性能分析 5 9 拱墙 的侧向水平位移说明， 其不仅约束了拱 圈 的竖向变形 ， 同时也限制着填料的侧 向位移， 这一现 象与大量实际观察 的结果一致 ， 也验证了拱墙对于 石拱桥结构侧 向稳定的积极作用。 拱背填料的作用 ， 既对集中荷载具有扩散作用 ， 保证了均匀的传递荷载 ， 同时其“ 围压效应” 在一定 程度上削弱了拱顶底部的拉力和拱脚 的水平推力 ， 且使得拱圈均匀的挤压而提高了其稳定性 。 可以认为 ， 拱圈 、 拱墙和拱背上填料的空间协同 作用 ， 对结构的承载力和稳定性是有益的。 通常 ， 相对而言 ， 实腹式人行石拱桥的恒载远大 于活载。表 2的分 析结果表明， 恒载引起的变形约 占总变形量的 8 0 以上。这表 明， 其变形主要受恒 载控制 ， 一定程度上的超载对结构的影响相对要小 ， 即实腹式石拱桥具有一定的强度储备 ， 这 可以部分 解释大量古石拱桥未经加固而直接承受机动车辆荷 载并安全使用的原因。 4 结 语 ( 1 ) 拱圈的第一 主应力峰值出现在约 1 4跨拱 圈底部 ， 由于填料与拱圈界面作用效应， 拱圈外侧局 部应力梯度较大 ， 表面受拉应力作用较为明显。 ( 2 ) 拱圈的最大竖 向位移发生 在跨 中中部 ， 拱 圈外侧竖向位移小于拱圈跨中中部。由于拱圈内部 压力的作用和拱脚变形 的限制 ， 拱圈的 1 4跨 中部 则略有拱起的现象。 ( 3 ) 拱墙则 由于受到拱背 填料侧压 作用 的影 响 ， 发生横 向位移。 ( 4 ) 分析表 明， 石拱桥具有明显 的空 间协同作 用能力 ， 拱圈、 拱墙和拱背填料的空 间协 同作用 ， 对 结构的承载力和稳定性是有益的。 ( 5 ) 实腹式步行石拱桥 ， 恒载 引起 的变形约 占 总变形量的 8 0 以上 ， 其变形主要 由恒载控制 ， 活 载相对影响较小 ， 大都具有一定的潜在能力储备。 参 考 文 献 ： 1 李宏男 汶川地 震震害 调查与 启示 J 建 筑结构 学报 ， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 1 0 1 9 2 聂建国， 樊健生 ， 等 7 0 0年石拱桥 的静力加载实验 与结 构分析 J 清华大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 6 ) 3 俞茂宏 ， O D A Y， 方 东 平， 等 中 国古建 筑结 构力 学 研究 进展 J 力学进展， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 4 3 拼 4 朱伯芳 有限单元 法原理与应 用 M 北京 中国水利 水 电出 版社 ， 1 9 9 8 5 李广信 高等土力学 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 6 吕西林 ， 金国芳 钢筋混 凝土结 构非 线性有 限元理 论与 应用 f M 七海 ： 同济大学 出版社 ， 1 9 9 7 ( 上接第4 9页) 小于P = 0 6 。 受力最大栓钉承受的合力 1 应满足下式 ： + 2 ( 3 0 ) 式中 为 栓 钉 的 抗 剪 承 载 力 设 计 值， 按 照 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3的规定计算。 6 构造要求 ( 1 ) 板中水平横向钢筋应按下列要求配置 ： 当 7 7 1 1时： = A s _A h o 6 5 ( 3 1 ) 当 1叼 。 1 2时： P 。 h0 6 0 ( 3 2 ) 式 中 s 横 向钢 筋 间距 ； A 同一高度处横向钢筋总截面积； 水平横向钢筋的强度标准值； ， 缝间墙纵筋屈服时的抗剪承载力和缝 间墙弯压破坏 时的抗剪承载力 ， 按式 ( 1 4 ) 和式( 1 8 ) 计算 ； p 墙板水平横 向钢筋配筋率 ， 其值不宜 ( 2 ) 缝两端的实体墙 中应配置横向主筋 ， 其数 量不低于缝问墙一侧的纵向钢筋用量。 ( 3 ) 形成竖缝 的填充材料宜用延性好 、 易滑移 的耐火材料( 如二片石棉板) 。 ( 4 ) 高强螺栓 和栓钉的布置， 应满足 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3的规定 。 参 考 文 献： 1 J G J 9 9 - 9 8高层民用建筑钢结构技术规程 s 北京： 中国建 筑工业出版社 ， 1 9 9 8 2 武藤清 结构物动力设计 M 藤家禄， 译 北京： 中国建筑工 业出版社 。 1 9 8 6 3 童根树， 米旭峰 钢框架内嵌带竖缝钢筋混凝土剪力墙的补充 计算和构造要求 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 5 )： 4 7 - 5 5 4 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2混凝土结构设计规范 S 北京： 中国建筑工 业出版社 ， 2 0 0 2 5 童根树 ， 米旭 峰 钢框架 内嵌带竖缝钢筋混凝土剪力墙 的内力 计算模型 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 6， 2 7 ( 5 ) ： 3 9 - 4 6 6 廉晓飞 ， 邹 超英 带竖缝混凝土剪力墙板在低周反复荷载作 用 下 的工作性能研究 J 哈 尔滨建筑 大学学 报， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 ) ： 31 3 6 7 c B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 s 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 3