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17剪力墙的自动组合截面配筋方法 -2016.6

发布时间:2016-06-27


 

剪力墙的自动组合截面配筋方法

剪力墙配筋设计存在的问题

剪力墙在高层建筑中广泛应用,其截面一般有矩形、T形、L形以及两端带翼缘的复杂截面等。结构计算软件一般对剪力墙采用细分的壳单元模拟计算,墙肢与墙肢之间、墙与其它杆件之间变形协调,其内力、位移、地震计算等都可得到理想的结果。

但是,在剪力墙的截面配筋设计环节,以前流行软件不能按照T形、L形以及两端带翼缘的复杂截面配筋,因为软件可方便地得到各单个墙肢的内力,而要得到T形、L形以及两端带翼缘的组合截面的组合内力很困难。于是,以前流行软件只能把组合截面分解为单个墙肢,对每个单墙肢按照矩形截面分别配筋,对墙肢相交处的边缘构件配筋,采用叠加各墙肢分别配筋的结果。我们称这种配筋方式为分段式配筋方式

具体来说,以往的设计,对于带翼缘剪力墙,软件在剪力墙墙柱配筋计算时对每一个墙肢单独按照矩形截面计算,不考虑翼缘作用。对于由墙肢相交的边缘构件配筋是把各个墙肢的配筋相加得出的,结果有时偏大,有时偏小。对于带边框柱剪力墙,最终边缘构件配筋是先几部分构件单独计算,一部分为与边框柱相连的剪力墙暗柱计算配筋量,另一部分为边框柱的计算配筋量,然后叠加配筋结果,与规范构造要求比较取大值这样的配筋方式常使配筋量偏大。

很多业内专家多年来一直强调,对剪力墙采用分段式配筋方式不合理。因为一方面在某些情况下配筋不够,造成不安全的结果,另一方面在很多情况下又造成配筋过大的不经济的计算结果。即这种配筋方式既不安全、又不经济。可参见傅学怡《实用高层建筑结构设计》13章。

有的软件给出了手动方式的剪力墙组合截面配筋功能,它是人工指定相连的墙肢组成组合截面,再由软件对各墙肢的内力进行组合并进行配筋。这种方式的主要问题是:第一,软件对所选的墙肢都按全截面考虑,由多个墙肢组成的组合截面可能过长过大,它已经很难符合平截面假定的配筋原理,计算结果不可信。第二,剪力墙组合截面多为不对称截面,但是目前大多数软件不具备不对称配筋功能,而是按照对称配筋方式计算,配筋结果常常偏大很多。第三,采用人工指定操作方式效率很低不实用。

针对以上存在的问题,YJK结构设计软件给出了剪力墙的自动组合截面配筋计算方法。

规范要求对剪力墙的截面配筋应按照组合截面进行

规范条文:

《混凝土规范》第9.4.3在承载力计算中,剪力墙的翼缘计算宽度可取剪力墙的间距、门窗洞间翼墙的宽度、剪力墙厚度加两侧各6倍翼墙厚度、剪力墙墙肢总高度的1/10四者中的最小值。

《抗规》第6.2.13-3抗震墙结构、部分框支抗震墙结构、框架-抗震墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构、板柱-抗震墙结构计算内力和变形时,其抗震墙应计入端部翼墙的共同工作。

从规范条文的要求可以看出,第一,剪力墙的配筋应考虑翼缘,第二,考虑的翼缘的长度有一定的限值,不应过长。

两个对剪力墙自动按组合截面配筋的参数

在计算参数的构件设计部分,设置了两个对剪力墙自动按照组合截面配筋的参数,一个是墙柱配筋设计考虑端柱,另一个是墙柱配筋设计考虑翼缘墙

1.墙柱配筋设计考虑端柱

勾选该项,则软件对带边框柱剪力墙按照柱和剪力墙组合在一起的方式配筋,即自动将边框柱作为剪力墙的翼缘,按照工形截面或T形截面配筋,这样的计算方式更加合理。

详细计算方法见用户手册第四章第六节剪力墙部分内容。

2. 墙柱配筋设计考虑翼缘墙

即是否按照组合墙方式配筋。

不勾选如上参数,即是以往的设计方法。

剪力墙自动组合截面配筋过程

勾选墙柱配筋设计考虑端柱,则软件对带边框柱剪力墙按照柱和剪力墙组合在一起的方式配筋,即自动将边框柱作为剪力墙的翼缘,按照工形截面或T形截面配筋

勾选墙柱配筋设计考虑翼缘墙,则软件对剪力墙的每一个墙肢计算配筋时,考虑其两端节点相连的部分墙段作为翼缘,按照组合墙方式计算配筋。软件对翼缘的考虑不一定包含翼缘的全部长度,有时仅考虑翼缘的一部分参与组合计算,即考虑的翼缘长度不大于腹板长度的一半,且每一翼缘伸出部分将不大于4倍翼缘厚度。对于短肢剪力墙软件自动考虑翼缘的全部长度。

如果两端的翼缘都是完整的墙肢,则软件自动对整个组合墙按照双偏压配筋计算,一次得出整个组合墙配筋,下左图即是。对短肢剪力墙将按照双偏压配筋计算

如果某一端翼缘只包含翼缘所在墙的一部分,则软件对该分离的组合墙按照不对称配筋计算,得出的是本墙肢配筋结果,下右图即是按照不对称配筋方式才能得到经济合理的配筋结果,因为对于不对称的剪力墙组合截面,按照对称配筋总是取两端较大值,造成浪费。

组合墙的计算内力是将各段内力向组合截面形心换算得到的组合内力,如果端节点布置了边框柱,则组合内力将包含该柱内力。

在配筋简图的右侧菜单中设置了【墙柱轮廓】菜单,点取该菜单后,鼠标悬停在任一剪力墙的墙肢上时,可以显示该墙肢配筋计算时采用的截面形状。不考虑翼缘时为矩形的单墙肢,考虑翼缘时为组合墙的形状。由于软件对于长厚比小于4的墙肢按照柱来配筋设计,因此当该墙肢不满足双偏压配筋条件时,将显示为矩形的单墙肢。

对于单独的矩形墙肢,是否勾选此项软件都按照单墙肢的对称配筋计算。

剪力墙墙柱的配筋简图的两端配筋结果,是否勾选此项的表示方式不同。不考虑翼缘墙时,给出一个配筋数值,表示按照对称配筋的纵筋值;考虑翼缘墙时,给出两个配筋数值,因为软件按照不对称配筋得出的墙肢两端可能是不同的纵筋计算结果。

相比传统软件做选组合墙时只能选墙肢的整个长度范围,YJK组合墙时自动考虑的翼缘是一个有长度限制的局部范围(如不大于腹板长度的一半及每侧伸出不大于4倍翼缘厚度),更加符合平截面假定要求,结果更加合理。

剪力墙组合配筋的原理

以往的按照分段直线墙配筋时,每一单独墙肢配筋都是取其各内力组合中的最大,而这些最大作用一般不会在相连的各墙肢同时出现,因此这种方法配筋一般情况下都会偏大。

剪力墙组合配筋基于平截面假定,其过程如下:

1. 各段墙肢(或柱子)的内力组合至组合墙截面形心;

下图是选取的两片垂直的L形相交的剪力墙,两片墙各有自己的内力作用在形心处,如下图中两个细线表示的坐标系,组合墙的内力计算将各片墙的内力叠加至组合墙的中心(粗线显示的坐标系)。

组合墙计算简图

剪力墙内力组合,其计算原理如下:

式中:NMxMy——组合墙的轴力及XY向的弯矩;

N1N2——墙肢1和墙肢2的轴力;

Mx1Mx2——墙肢12的平面内弯矩;

My1My2——墙肢12的平面外弯矩;

θ1θ2——墙的方向角;

Δx1Δy1Δx2Δy2——墙肢形心与组合墙形心的距离。

其他各种形状的组合墙的内力组合方法与上面例题类似,对有柱子的情况,也采用上面的公式,只是MxMy、θ分别为XY分方向的弯矩和柱子转角。

2. 计算组合墙配筋

将组合墙当作一个整体截面按照异形柱的配筋方式计算配筋:先根据分布筋配筋率布置好分布钢筋,再给固定节点处钢筋赋以初值

配筋按照两种方式进行,即双偏压配筋计算方式和不对称配筋

双偏压配筋计算方式说明如下:

采用《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2006)中的异形柱正截面承载力计算公式的变形,并以前处理指定的分布筋配筋率进行分布筋配筋,得到分布筋面积Asv及钢筋位置,再进行边缘构件的钢筋计算。

组合墙计算原理如下:

上式中各参数含义详见与《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2006)5.1.2

组合配筋效果

组合墙配筋方法通过整体截面的双偏压计算方法,将钢筋在全截面中有效的布置,既减少了总的配筋面积,又能使所配钢筋在截面中达到最大的利用价值,更趋合理。图9-21是某L形组合墙的组合配筋结果对比。

不对称配筋计算时,由于剪力墙两端钢筋不等,要求解及截面受压区高度三个未知数,必然要在轴力平衡方程、弯矩平衡方程基础上增加一个求解条件。软件中通过

作为补充求解条件,即保证截面配筋最少。

可见,由于增加了这个补充条件,不对称配筋模式比对称配筋模式会节约钢筋用量。

带边框柱剪力墙的配筋计算过程

不勾选墙柱配筋设计考虑端柱时,剪力墙的配筋简图中,墙和边框柱配筋分别输出边缘构件取二者之和,如下图所示:

勾选墙柱配筋设计考虑端柱时,剪力墙的配筋简图中,没有了边框柱单独的配筋,包含边框柱的边缘构件取墙的配筋,如所示

程序对于带边框柱剪力墙的设计方法如下:

1)搜索端部是否有边框柱,并记录;

2)将边框柱单工况内力换算到柱墙组合截面形心,并与原墙柱内力叠加;

3)对叠加后的标准内力进行荷载组合设计内力调整,并按带翼缘墙进行配筋设计;

由于实际工程中柱的类别、柱与墙的位置关系较复杂,目前软件针对部分特殊情况的考虑如下:

1)软件只处理墙柱端部有边框柱的情况;

2)如果墙柱一端有柱T形截面设计;如果两端有柱按工字形截面设计;

3)如果墙柱端部既有端柱、又有翼缘墙,则软件根据端柱截面宽度判断端柱能否作为翼缘,若端柱截面宽度比翼缘范围内翼缘墙宽度大,则端柱作为翼缘;反之端柱不作为翼缘;

4)如果两端均为型钢混凝土柱,则按型钢混凝土剪力墙的相关公式计算配筋;

5)如果仅一端为钢柱或型钢混凝土柱,则将型钢换算成钢筋面积,按规则(1~3)处理

6)对于型钢混凝土剪力墙的配筋计算,目前软件支持两种选择:《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001、《钢骨混凝土结构技术规程》YB9082-2006

对带边框柱剪力墙可使用改进膜元NQ6Star

当计算出的边框柱内力异常时,可以改用软件提供的新的改进膜元NQ6Star

改进膜元NQ6Star改进了力学有限元计算中带边框柱剪力墙的算法,结构模型中边框柱为杆单元,剪力墙为壳单元,柱墙之间设置单元划分的若干点协调连接。由于传统使用的壳单元在平面内弯曲刚度偏弱,常造成边框柱受力过大、突变等奇异现象,造成边框柱配筋过大。

YJK提供新的膜单元NQ6Star,解决了统壳单元在平面内弯曲刚度偏弱的问题,对边框柱与剪力墙的协调性好,在二者的协同中可使剪力墙承担更多的受力,常可避免边框柱配筋过大。

如上图,使用传统的经典膜元某带跃层的带边框柱剪力墙抗剪超限,改为使用改进膜元NQ6star后不再超限。对比X地震下边框柱和剪力墙的剪力,可以看出经典膜元边框柱有剪力突变的异常现象,导致与它相连的剪力墙的剪力过大。改进膜元边框柱受剪力上下均匀,相邻剪力墙剪力正常不再超限。

按组合截面方式配筋偏大的实例

该剪力墙结构,由于X向墙少,X向墙肢两端翼缘分别为拉和压,组合墙弯矩很大,导致不对称配筋比单肢计算大很多。

按照以往方法,不考虑组合墙配筋方式的配筋结果只有12cm2

按照组合截面配筋方式,该墙肢左端配筋达90cm2,右端配筋达27cm2

这个实例,说明了剪力墙按照以往的单肢矩形截面配筋方式,有时是不安全的。国内不少规范专家也曾多次指出这一点。

大多数剪力墙结构按照组合墙配筋方式使边缘构件配筋量减少

如下剪力墙结构,8.5度设防,分别按照以往方式配筋和组合墙方式配筋,取出一部分对比如下:

按照以往方式的配筋简图和边缘构件结果如下图

按照组合墙配筋方式的配筋简图和边缘构件结果如下图

可以看出按照组合墙配筋方式的计算结果,边缘构件配筋量减少很多。

下面是某带边框柱剪力墙工程,按照组合墙配筋方式的配筋量比传统软件大大减少的实例。白色框中的数值是使用传统软件得出的边缘构件配筋计算结果,黄色框中是YJK的组合墙方式得出的边缘构件配筋计算结果,可以看出,YJK的组合方式配筋可使配筋量大大减少。

对比整个工程剪力墙边缘构件的配筋计算结果,YJK组合墙方式可减少配筋15%

我们曾对比过多个剪力墙结构实例,按照组合墙配筋方式的计算结果,边缘构件配筋量一般都减少。说明剪力墙的组合截面配筋方式既安全又经济合理。

10对剪力墙按边缘构件轮廓计算配筋方式

传统的分段式边缘构件配筋方式为,先计算墙柱各分段端部暗柱配筋面积,然后根据边缘构件形状和位置,将端部暗柱计算配筋面积相加得到边缘构件配筋面积。

YJK提供了剪力墙组合配筋方式,即在计算墙柱各分段暗柱钢筋时,考虑墙端的一部分翼缘,从而按照L形、工形、T形等异形截面计算。

现在YJK提供了第三种配筋方式:按边缘构件轮廓计算配筋,规则为:在软件自动生成的边缘构件的形状基础上,对于多肢剪力墙的每个墙段中,边缘构件将把每个墙段分成三段或多段,把该剪力墙段(即墙柱)计算得出的MN按照等效的原则分配到每个细分的墙段中,经过这样的分配,每个边缘构件将得到作用其上的MxMyN

对每个边缘构件按照作用其上的MxMyN,按双偏压柱的计算模式配筋和验算轴压比。

软件提供了按边缘构件轮廓计算配筋选项,同时保留传统的按墙柱的配筋方式。勾选该项,则在设计结果边缘构件菜单下可以查看按边缘构件轮廓计算得到的配筋结果。

软件同时提供了相关的查询工具:

配筋边构:用来查看哪些构件是按照边缘构件实际轮廓计算配筋的,对按照边缘构件形状配筋的边缘构件用粉红色标识。考虑到实际工程中边缘构件的形状比较复杂,目前软件仅对一字形、L形、T形边缘构件可以按边缘构件实际轮廓计算配筋。

配筋墙身:用来查看扣除边缘构件范围后的墙身范围,以阴影区显示。

构件信息:在边缘构件简图中的构件信息,不仅可以查看通常的梁、柱、支撑、墙梁、墙柱信息,还可以查看墙身、边缘构件信息。

目前该方法的配筋结果仅在设计结果边缘构件简图中显示,还不能传给施工图模块。

经过大量实际工程计算按边缘构件轮廓计算配筋方式的边缘构件配筋结果与YJK剪力墙组合配筋方式接近一般情况下当剪力墙组合配筋方式比分段式的非组合配筋方式配筋结果少时,按边缘构件轮廓计算配筋的结果更小一些,反之更大一些,也就是说,按边缘构件轮廓计算配筋的方式更加安全、更加经济。

采用按边缘构件轮廓计算配筋后,还可以判断结构是否在某一方向为少墙向结构。

魏琏的《论一向少墙高层钢筋混凝土结构的结构体系》一文中提到了单向少墙高层钢筋混凝土结构设计方法。该文主要研究在建筑住宅户型的创新时,出现在建筑一个方向剪力墙较多而在另一个方向剪力墙稀少的新型高层建筑结构,这类一向少墙结构的结构体系如何判别,其抗侧力如何传递,抗震安全性如何保证和验算设计方法等亟待解决。

少墙向抗侧构件由三部分构成:

1)少墙方向剪力墙剪力墙承担的倾覆力矩比剪力比为

2)由与框架梁相连的框架柱、剪力墙端柱及剪力墙中部梁下暗柱等形成的框架,简称梁柱框架,梁柱框架承担的倾覆力矩比剪力比为

3)由另向剪力墙的平面外墙肢楼板形成的扁柱框架,简称扁柱框架,扁柱框架承担的倾覆力矩比剪力比为

少墙向结构体系的判断方法是:>=0.9为剪力墙结构否则宜按照框架剪力墙结构设计。

勾选按边缘构件轮廓计算配筋后,软件在wv02q.out文件中同时输出墙身、边缘构件承担的地震剪力、规定水平力下的倾覆弯矩等内容,可以作为判断参照。例如判断X向是否为少墙方向时,边缘构件承担的X剪力和X倾覆弯矩可以加到梁柱部分,Y墙的X剪力和X倾覆弯矩即为X向的扁柱框架部分。

对于确定的少墙向结构体系可参照魏琏文章由人工对结构进行相应的设计调整

 

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