剪力墙结构-文献综述

剪力墙结构文献综述摘要：随着经济和社会的发展,高层建筑逐渐成为现代城市建筑的发展趋势。

20世纪60年代开始出现的剪力墙结构,由于其抗侧刚度大,能有效地减小侧移,且具有较好的抗震性能,随着滑升模板、大模板等新的施工工艺的采用而逐渐成为现代高层筑中广泛应用的一种结构体系。

本文主要就剪力墙结构的分类，剪力墙结构国内外的研究方法，以及其发展前景进行了论述，进而联系到本设计的主要注意事项以及各个构件的设计原则。

关键词：剪力墙分类国内外研究方法前景概念设计1.剪力墙的基本概念1.1剪力墙的概念及优缺点用钢筋混凝土剪力墙抵抗竖向荷载和抵抗水平力的结构称作剪力墙结构。

本设计采用的是现浇钢筋混凝土剪力墙，其整体性能好，抗侧刚度大，承载能力大，在水平力作用下侧移小，经过合理计算，能设计成抗震性能好的钢筋混凝土延性剪力墙，由于它变形小，在历次地震中，剪力墙结构破坏较小，表现出令人满意的抗震结构中，剪力墙结构破坏较小，表现出令人满意的抗震性能（但仅就延性而言，剪力墙不如框架）。

但是，钢筋混凝土剪力墙中，剪力墙的间距小，一般为3～8m，平面布置不灵活、建筑空间受到限值由于自重大，刚度大，是剪力墙结构的基本周期短，地震作用下的惯性力比较大，这些是它的主要缺点，因此它只适用于住宅、旅馆等建筑。

1.2剪力墙的分类1.2.1第一判别方法—依据结构开洞面积的大小的分类方法高层剪力墙的受力特点、内力分布情况和变形状态与其所开洞的大小和数量有直接关系，因此，剪力墙是按其本身开洞的情况而分类的。

可分为：(1)整截面剪力墙：没有门窗洞口或只有很小的洞口，即墙面上门窗、洞口等开孔面积不超过墙面面积15％，且洞口间的净距及孔洞至墙边间的净距大于孔长边尺寸的剪力墙，它们的受力性能如同一个整体的悬臂墙一样，墙肢的法向应呈线性变化，截面变形符合平面假定，这类剪力墙成为整截面剪力墙(如图一a所示)。

(2)小开口整体剪力墙：门窗洞口沿竖向成列布置，洞口的总面积不超过墙体总面积的15％，其墙肢的法向应力分布偏离直线规律，相当于在整体弯曲的直线分布应力上迭加了局部弯曲应力，当局部弯矩不超过整体倾覆弯矩的15％时，可认为剪力墙仍基本复合平截面假定，这种开洞剪力墙称为小开口整体剪力墙(如图一b示)。

(3)联肢剪力墙：洞口开得较大，梁刚度比墙肢刚度小得多时，截面整体性已破坏，各墙肢单独工作作用较显著，这种称为联肢剪力墙。

仅开有一排较大洞的剪力墙称为双肢剪力墙(如图一c所示)；开有多排较大洞口的剪力墙称为多肢剪力墙(如图一d所示)。

(4)当剪力墙的洞口尺寸较大，墙肢宽度较小，连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度时，剪力墙的受力性能已接近框架，这种剪力墙称为壁式框架。

(5)框支剪力墙：当底层需大空间时，可以将底层作为框架。

底层为框架的剪力墙称为框支剪力墙，它是剪力墙的一种特殊的形式。

图一1.2.2第二判别方法—依据剪力墙整体系数α和墙肢惯性矩比I n /I 的分类方法1.2.2.1整体系数α整体系数α是剪力墙的一个重要的几何参数，整体系数α表示连梁与墙肢的相对刚度。

α系数影响墙肢内力分布，α≤1时可近似看作几个独立墙肢；α较小时，墙肢以局部弯曲为主，α较大时，墙肢以整体弯曲为主。

α的具体取值方法如下： 对于双肢剪力墙：.)(632121a c I I I Th H+=α 公式（1） 对于多肢剪力墙：.123211∑∑+==l I a I bjbjj m j j h H τα 公式（2） 其中τ——轴向变形影响系数，当3～4肢时取0.8，5～7肢时取0.85，8肢以上取0.9；I ——剪力墙对组合截面形心的惯性矩；I n ——扣除墙肢惯性矩后剪力墙的惯性矩，I n ＝I －∑+=11m j j I ； I bj ——第j 列连梁的折算惯性矩；m ——洞口列数；h ——层高；aa j ,——第j 列洞口两侧墙肢截面形心距离； l bj ——第j 列连梁计算跨度，取洞口宽度加梁高的一半；Ij——第j 墙肢的截面惯性矩；ξ——系数，由α及层数查表确定。

1.2.2.2墙肢惯性矩比In/I整体工作系数α愈大，说明剪力墙整体性很强，这样的剪力墙可能是整体小开口墙，也可能是壁式框架。

因为后者梁线刚度大于柱线刚度，其α值很大，结构整体性也很强，但它的受力特点与框架相同。

因此，除应根据α值进行剪力墙分类判别外，还应判别沿高度方向墙肢弯矩图是否会出现反弯点。

墙肢是否出现反弯点，与墙肢惯性矩的比值In/I、整体性系数α和层数n等多种因素有关。

In /I值反映了剪力截面削弱的度,In/I值大，说明截面削弱较多，洞口较宽，墙肢相对较弱。

因此，当In/I增大到某一值时，墙肢表现出框架的受力特点，即沿高度方向出现反弯点。

因此，通常将In/I与其限值ξ的关系式作为剪力墙分类的第二个判别式。

1.2.2.3剪力墙分类般别式(1)当剪力墙无洞口或虽有洞口但洞口面积与墙面面积之比不大于0.16,且孔洞口净距及孔洞边至墙边距离大于孔洞长边尺寸时，按整截面墙计算。

(2)当α<1时，可不考虑连梁的约束作用，各墙肢分别按独立的悬臂墙计算.(3)当1≤α<10时，按联肢墙计算.(4)当α≥IO,且In /Iξ≤时，按整体小开口墙计算。

(5)当α≥10，且In/I>ξ时，按壁式框架计算。

2.剪力墙结构的国内外研究现状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空间盒子式结构体系。

它所承受的荷载除楼板传来的竖向荷载外。

还有水平作用的地震荷载或风荷载。

剪力墙在竖向荷载作用下的计算比较简单，主要讨论水平荷载下的计算问题。

2.1国内外关于短肢剪力墙的研究现状和问题通常将肢长和厚度比在5～8之间的抗震墙称作短肢剪力墙，墙体之间通过连梁连接，中间由非承重砌体填充。

由于短肢剪力墙结构出现较晚,所以目前对它的研究还不多。

由文献检索知,国外还没有关于短肢剪力墙的文献和工程报导,国内发表的论文也不多。

其中,只有为数不多的几篇从理论或试验上对短肢剪力墙的力学性能、动力特性等几个方面进行了分析,对工程设计有一定的指导意义。

由于缺少研究,国内规范对短肢剪力墙的布置、抗震等级以及轴压比等比普通的剪力墙采取了更严格的限制,而对短肢剪力墙的计算模型、适用高度、构造措施等没有作明确的说明。

这些限制的合理性还有待于进一步分析验证。

由于这种结构的出现较晚,对它的研究不多,故目前工程界对短肢剪力墙的力学特性、抗震性能以及设计方法还缺乏一致的看法。

这已经造成了短肢剪力墙结构设计的混乱,许多高层住宅结构由于开洞过大,使得剪力墙墙肢过短,连梁高度过大,剪力墙实际上被设计成了扁柱,给结构的安全性、经济性造成了不利影响。

因此,明确短肢剪力墙的定义、对其力学性能、破坏形态、动力特性、抗震性能以及设计方法等进行系统的研究,形成一套完整的设计理论,是建筑工程设计中急需解决的课题。

2.2国内外关于联肢剪力墙的研究现状和问题国外对联肢墙理论的研究比较早,早期的研究多为分析方法的研究,在计算机普遍应用于结构分析之前,人们多采用解析法求解联肢墙问题,其中应用最广泛的是由Chitty于1947年提出的所谓的连续连接介质法,许多学者基于这种方法对联肢墙进行了静力或动力分析。

前南斯拉夫学者Rosman于1964年应用这种方法:将沿剪力墙高度规则分布的连梁等效为均匀分布在两墙肢之间的连续连接介质,并假定在水平荷载作用下,连梁的反弯点在其跨中,墙肢和连梁的特征值沿墙高为常量,由平衡条件、协调条件(连梁反弯点竖向位移为零)得到联肢墙在水平载作用下的控制微分方程,求得了联肢墙在顶点集中荷载作用下的近似解。

因此, 有些文献将连续连接介质法称为Rosman方法。

国内对联肢墙的分析基本上都是应用Chitty 连续连接介质法(Rosman 方法),到的控制微分方程是以连梁的分布弯矩为基本未知函数,求得了联肢墙在水平均布荷载、倒三角形分布荷载和顶点集中荷载作用下的解,这些成果已经应用于工程设计。

3.剪力墙结构的基本研究方法及其优缺点多年来,国内外的学者针对剪力墙结构的特点建立了许多分析方法和计算模型。

分析方法可以归纳为三大类：数值计算方法、解析方法和半数值半解析方法。

下面对各类方法作一简单介绍：3.1 解析法解析法又称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,最早是由Chitty提出来并用于分析框架结构,剪力墙出现后被推广应用于联肢剪力墙。

开始时,这个方法被用于剪力墙的静力分析,70年代被推广于动力分析。

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。

3.2 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。

3.2.1 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。

目前,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板壳单元。

3.2.2宏观模型这种模型相对比较简单,计算量小,力学概念清晰、直观。

所以,从分析实际结构考虑,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。

下面对几种主要的宏观模型说明一下：图一（1）等效梁模型用等效梁单元对剪力墙沿墙轴线进行离散。

该单元的全部非弹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,如图一（a）所示。

这种模型是最早建立和目前应用最广的模型,其最大缺陷是没有考虑到剪力墙横截面中性轴的移动,假设其转动始终围绕着墙横截面的形心轴。

事实上,随着墙体线性反应的产生,其中和轴向受压区移动,形心轴和中性轴不再重合。

（2）墙板单元模型该模型将墙用墙柱代替,上下端设刚域,并与框架梁柱节点铰接,如图一（b）所示。

采用了受力前后剪力墙横截面保持平面和刚周边的假设,该模型在进行非线性分析时,存在着与等效梁模型一样的缺点,且对墙体刚度用一个刚度降低系数作折减,显得过于粗糙。

（3）等效支撑模型此模型将墙用具有等效抗剪刚度的支撑替换,同时,对支撑两侧柱截面面积按等效抗弯刚度进行修正,与框架梁柱节点铰接,如图一（c）所示,主要用于框架—剪力墙结构。