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17剪力墻的自動組合截面配筋方法 -2016.6

發布時間:2016-06-27


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剪力墻的自動組合截面配筋方法

1? 剪力墻配筋設計存在的問題

剪力墻在高層建筑中廣泛應用,其截面一般有矩形、T形、L形以及兩端帶翼緣的復雜截面等。結構計算軟件一般對剪力墻采用細分的殼單元模擬計算,墻肢與墻肢之間、墻與其它桿件之間變形協調,其內力、位移、地震計算等都可得到理想的結果。

但是,在剪力墻的截面配筋設計環節,以前流行軟件不能按照T形、L形以及兩端帶翼緣的復雜截面配筋,因為軟件可方便地得到各單個墻肢的內力,而要得到T形、L形以及兩端帶翼緣的組合截面的組合內力很困難。于是,以前流行軟件只能把組合截面分解為單個墻肢,對每個單墻肢按照矩形截面分別配筋,對墻肢相交處的邊緣構件配筋,采用疊加各墻肢分別配筋的結果。我們稱這種配筋方式為分段式配筋方式。

具體來說,以往的設計,對于帶翼緣剪力墻,軟件在剪力墻墻柱配筋計算時對每一個墻肢單獨按照矩形截面計算,不考慮翼緣作用。對于由墻肢相交的邊緣構件配筋是把各個墻肢的配筋相加得出的,結果有時偏大,有時偏小。對于帶邊框柱剪力墻,最終邊緣構件配筋是先幾部分構件單獨計算,一部分為與邊框柱相連的剪力墻暗柱計算配筋量,另一部分為邊框柱的計算配筋量,然后疊加配筋結果,與規范構造要求比較取大值,這樣的配筋方式常使配筋量偏大。

很多業內專家多年來一直強調,對剪力墻采用分段式配筋方式不合理。因為一方面在某些情況下配筋不夠,造成不安全的結果,另一方面在很多情況下又造成配筋過大的不經濟的計算結果。即這種配筋方式既不安全、又不經濟??蓞⒁姼祵W怡《實用高層建筑結構設計》13章。

有的軟件給出了手動方式的剪力墻組合截面配筋功能,它是人工指定相連的墻肢組成組合截面,再由軟件對各墻肢的內力進行組合并進行配筋。這種方式的主要問題是:第一,軟件對所選的墻肢都按全截面考慮,由多個墻肢組成的組合截面可能過長過大,它已經很難符合平截面假定的配筋原理,計算結果不可信。第二,剪力墻組合截面多為不對稱截面,但是目前大多數軟件不具備不對稱配筋功能,而是按照對稱配筋方式計算,配筋結果常常偏大很多。第三,采用人工指定操作方式效率很低不實用。

針對以上存在的問題,YJK結構設計軟件給出了剪力墻的自動組合截面配筋計算方法。

2? 規范要求對剪力墻的截面配筋應按照組合截面進行

規范條文:

《混凝土規范》第9.4.3,在承載力計算中,剪力墻的翼緣計算寬度可取剪力墻的間距、門窗洞間翼墻的寬度、剪力墻厚度加兩側各6倍翼墻厚度、剪力墻墻肢總高度的1/10四者中的最小值。

《抗規》第6.2.13-3,抗震墻結構、部分框支抗震墻結構、框架-抗震墻結構、框架-核心筒結構、筒中筒結構、板柱-抗震墻結構計算內力和變形時,其抗震墻應計入端部翼墻的共同工作。

從規范條文的要求可以看出,第一,剪力墻的配筋應考慮翼緣,第二,考慮的翼緣的長度有一定的限值,不應過長。

3? 兩個對剪力墻自動按組合截面配筋的參數

在計算參數的構件設計部分,設置了兩個對剪力墻自動按照組合截面配筋的參數,一個是墻柱配筋設計考慮端柱,另一個是墻柱配筋設計考慮翼緣墻。

1.墻柱配筋設計考慮端柱

勾選該項,則軟件對帶邊框柱剪力墻按照柱和剪力墻組合在一起的方式配筋,即自動將邊框柱作為剪力墻的翼緣,按照工形截面或T形截面配筋,這樣的計算方式更加合理。

詳細計算方法見用戶手冊第四章第六節剪力墻部分內容。

2. 墻柱配筋設計考慮翼緣墻

即是否按照組合墻方式配筋。

不勾選如上參數,即是以往的設計方法。

4? 剪力墻自動組合截面配筋過程

勾選墻柱配筋設計考慮端柱,則軟件對帶邊框柱剪力墻按照柱和剪力墻組合在一起的方式配筋,即自動將邊框柱作為剪力墻的翼緣,按照工形截面或T形截面配筋。

勾選墻柱配筋設計考慮翼緣墻,則軟件對剪力墻的每一個墻肢計算配筋時,考慮其兩端節點相連的部分墻段作為翼緣,按照組合墻方式計算配筋。軟件對翼緣的考慮不一定包含翼緣的全部長度,有時僅考慮翼緣的一部分參與組合計算,即考慮的翼緣長度不大于腹板長度的一半,且每一翼緣伸出部分將不大于4倍翼緣厚度。對于短肢剪力墻軟件自動考慮翼緣的全部長度。

如果兩端的翼緣都是完整的墻肢,則軟件自動對整個組合墻按照雙偏壓配筋計算,一次得出整個組合墻配筋,下左圖即是。對短肢剪力墻將按照雙偏壓配筋計算。

如果某一端翼緣只包含翼緣所在墻的一部分,則軟件對該分離的組合墻按照不對稱配筋計算,得出的是本墻肢配筋結果,下右圖即是。按照不對稱配筋方式才能得到經濟合理的配筋結果,因為對于不對稱的剪力墻組合截面,按照對稱配筋總是取兩端較大值,造成浪費。

組合墻的計算內力是將各段內力向組合截面形心換算得到的組合內力,如果端節點布置了邊框柱,則組合內力將包含該柱內力。

在配筋簡圖的右側菜單中設置了【墻柱輪廓】菜單,點取該菜單后,鼠標懸停在任一剪力墻的墻肢上時,可以顯示該墻肢配筋計算時采用的截面形狀。不考慮翼緣時為矩形的單墻肢,考慮翼緣時為組合墻的形狀。由于軟件對于長厚比小于4的墻肢按照柱來配筋設計,因此當該墻肢不滿足雙偏壓配筋條件時,將顯示為矩形的單墻肢。

對于單獨的矩形墻肢,是否勾選此項軟件都按照單墻肢的對稱配筋計算。

剪力墻墻柱的配筋簡圖的兩端配筋結果,是否勾選此項的表示方式不同。不考慮翼緣墻時,給出一個配筋數值,表示按照對稱配筋的縱筋值;考慮翼緣墻時,給出兩個配筋數值,因為軟件按照不對稱配筋得出的墻肢兩端可能是不同的縱筋計算結果。

相比傳統軟件做選組合墻時只能選墻肢的整個長度范圍,YJK組合墻時自動考慮的翼緣是一個有長度限制的局部范圍(如不大于腹板長度的一半及每側伸出不大于4倍翼緣厚度),更加符合平截面假定要求,結果更加合理。

5? 剪力墻組合配筋的原理

以往的按照分段直線墻配筋時,每一單獨墻肢配筋都是取其各內力組合中的最大,而這些最大作用一般不會在相連的各墻肢同時出現,因此這種方法配筋一般情況下都會偏大。

剪力墻組合配筋基于平截面假定,其過程如下:

1. 各段墻肢(或柱子)的內力組合至組合墻截面形心;

下圖是選取的兩片垂直的L形相交的剪力墻,兩片墻各有自己的內力作用在形心處,如下圖中兩個細線表示的坐標系,組合墻的內力計算將各片墻的內力疊加至組合墻的中心(粗線顯示的坐標系)。

組合墻計算簡圖

剪力墻內力組合,其計算原理如下:

式中:N、Mx、My——組合墻的軸力及X、Y向的彎矩;

N1、N2——墻肢1和墻肢2的軸力;

Mx1、Mx2——墻肢1、2的平面內彎矩;

My1、My2——墻肢1、2的平面外彎矩;

θ1、θ2——墻的方向角;

Δx1、Δy1、Δx2、Δy2——墻肢形心與組合墻形心的距離。

其他各種形狀的組合墻的內力組合方法與上面例題類似,對有柱子的情況,也采用上面的公式,只是Mx、My、θ分別為XY分方向的彎矩和柱子轉角。

2. 計算組合墻配筋

將組合墻當作一個整體截面按照異形柱的配筋方式計算配筋:先根據分布筋配筋率布置好分布鋼筋,再給固定節點處鋼筋賦以初值。

配筋按照兩種方式進行,即雙偏壓配筋計算方式和不對稱配筋。

雙偏壓配筋計算方式說明如下:

采用《混凝土異形柱結構技術規程》(JGJ 149-2006)中的異形柱正截面承載力計算公式的變形,并以前處理指定的分布筋配筋率進行分布筋配筋,得到分布筋面積Asv及鋼筋位置,再進行邊緣構件的鋼筋計算。

組合墻計算原理如下:

上式中各參數含義詳見與《混凝土異形柱結構技術規程》(JGJ 149-2006)5.1.2。

組合配筋效果

組合墻配筋方法通過整體截面的雙偏壓計算方法,將鋼筋在全截面中有效的布置,既減少了總的配筋面積,又能使所配鋼筋在截面中達到最大的利用價值,更趨合理。圖9-21是某L形組合墻的組合配筋結果對比。

不對稱配筋計算時,由于剪力墻兩端鋼筋不等,要求解、及截面受壓區高度三個未知數,必然要在軸力平衡方程、彎矩平衡方程基礎上增加一個求解條件。軟件中通過

作為補充求解條件,即保證截面配筋最少。

可見,由于增加了這個補充條件,不對稱配筋模式比對稱配筋模式會節約鋼筋用量。

6? 帶邊框柱剪力墻的配筋計算過程

不勾選墻柱配筋設計考慮端柱時,剪力墻的配筋簡圖中,墻和邊框柱配筋分別輸出,邊緣構件取二者之和,如下圖所示:

勾選墻柱配筋設計考慮端柱時,剪力墻的配筋簡圖中,沒有了邊框柱單獨的配筋,包含邊框柱的邊緣構件取墻的配筋,如所示。

程序對于帶邊框柱剪力墻的設計方法如下:

1)搜索端部是否有邊框柱,并記錄;

2)將邊框柱單工況內力換算到柱墻組合截面形心,并與原墻柱內力疊加;

3)對疊加后的標準內力進行荷載組合設計內力調整,并按帶翼緣墻進行配筋設計;

由于實際工程中柱的類別、柱與墻的位置關系較復雜,目前軟件針對部分特殊情況的考慮如下:

1)軟件只處理墻柱端部有邊框柱的情況;

2)如果墻柱一端有柱,T形截面設計;如果兩端有柱,按工字形截面設計;

3)如果墻柱端部既有端柱、又有翼緣墻,則軟件根據端柱截面寬度判斷端柱能否作為翼緣,若端柱截面寬度比翼緣范圍內翼緣墻寬度大,則端柱作為翼緣;反之端柱不作為翼緣;

4)如果兩端均為型鋼混凝土柱,則按型鋼混凝土剪力墻的相關公式計算配筋;

5)如果僅一端為鋼柱或型鋼混凝土柱,則將型鋼換算成鋼筋面積,按規則(1~3)處理;

6)對于型鋼混凝土剪力墻的配筋計算,目前軟件支持兩種選擇:《型鋼混凝土組合結構技術規程》JGJ138-2001、《鋼骨混凝土結構技術規程》YB9082-2006;

7? 對帶邊框柱剪力墻可使用改進膜元NQ6Star

當計算出的邊框柱內力異常時,可以改用軟件提供的新的改進膜元NQ6Star。

改進膜元NQ6Star改進了力學有限元計算中帶邊框柱剪力墻的算法,結構模型中邊框柱為桿單元,剪力墻為殼單元,柱墻之間設置單元劃分的若干點協調連接。由于傳統使用的殼單元在平面內彎曲剛度偏弱,常造成邊框柱受力過大、突變等奇異現象,造成邊框柱配筋過大。

YJK提供新的膜單元NQ6Star,解決了統殼單元在平面內彎曲剛度偏弱的問題,對邊框柱與剪力墻的協調性好,在二者的協同中可使剪力墻承擔更多的受力,??杀苊膺吙蛑浣钸^大。

如上圖,使用傳統的經典膜元某帶躍層的帶邊框柱剪力墻抗剪超限,改為使用改進膜元NQ6star后不再超限。對比X地震下邊框柱和剪力墻的剪力,可以看出經典膜元邊框柱有剪力突變的異?,F象,導致與它相連的剪力墻的剪力過大。改進膜元邊框柱受剪力上下均勻,相鄰剪力墻剪力正常不再超限。

8? 按組合截面方式配筋偏大的實例

該剪力墻結構,由于X向墻少,X向墻肢兩端翼緣分別為拉和壓,組合墻彎矩很大,導致不對稱配筋比單肢計算大很多。

按照以往方法,不考慮組合墻配筋方式的配筋結果只有12cm2。

按照組合截面配筋方式,該墻肢左端配筋達90cm2,右端配筋達27cm2。

這個實例,說明了剪力墻按照以往的單肢矩形截面配筋方式,有時是不安全的。國內不少規范專家也曾多次指出這一點。

9? 大多數剪力墻結構按照組合墻配筋方式使邊緣構件配筋量減少

如下剪力墻結構,8.5度設防,分別按照以往方式配筋和組合墻方式配筋,取出一部分對比如下:

按照以往方式的配筋簡圖和邊緣構件結果如下圖

按照組合墻配筋方式的配筋簡圖和邊緣構件結果如下圖

可以看出按照組合墻配筋方式的計算結果,邊緣構件配筋量減少很多。

下面是某帶邊框柱剪力墻工程,按照組合墻配筋方式的配筋量比傳統軟件大大減少的實例。白色框中的數值是使用傳統軟件得出的邊緣構件配筋計算結果,黃色框中是YJK的組合墻方式得出的邊緣構件配筋計算結果,可以看出,YJK的組合方式配筋可使配筋量大大減少。

對比整個工程剪力墻邊緣構件的配筋計算結果,YJK組合墻方式可減少配筋15%。

我們曾對比過多個剪力墻結構實例,按照組合墻配筋方式的計算結果,邊緣構件配筋量一般都減少。說明剪力墻的組合截面配筋方式既安全又經濟合理。

10對剪力墻按邊緣構件輪廓計算配筋方式

傳統的分段式邊緣構件配筋方式為,先計算墻柱各分段端部暗柱配筋面積,然后根據邊緣構件形狀和位置,將端部暗柱計算配筋面積相加得到邊緣構件配筋面積。

YJK提供了剪力墻組合配筋方式,即在計算墻柱各分段暗柱鋼筋時,考慮墻端的一部分翼緣,從而按照L形、工形、T形等異形截面計算。

現在YJK提供了第三種配筋方式:按邊緣構件輪廓計算配筋,規則為:在軟件自動生成的邊緣構件的形狀基礎上,對于多肢剪力墻的每個墻段中,邊緣構件將把每個墻段分成三段或多段,把該剪力墻段(即墻柱)計算得出的M、N按照等效的原則分配到每個細分的墻段中,經過這樣的分配,每個邊緣構件將得到作用其上的Mx、My、N。

對每個邊緣構件按照作用其上的Mx、My、N,按雙偏壓柱的計算模式配筋和驗算軸壓比。

軟件提供了按邊緣構件輪廓計算配筋選項,同時保留傳統的按墻柱的配筋方式。勾選該項,則在設計結果邊緣構件菜單下可以查看按邊緣構件輪廓計算得到的配筋結果。

軟件同時提供了相關的查詢工具:

配筋邊構:用來查看哪些構件是按照邊緣構件實際輪廓計算配筋的,對按照邊緣構件形狀配筋的邊緣構件用粉紅色標識??紤]到實際工程中邊緣構件的形狀比較復雜,目前軟件僅對一字形、L形、T形邊緣構件可以按邊緣構件實際輪廓計算配筋。

配筋墻身:用來查看扣除邊緣構件范圍后的墻身范圍,以陰影區顯示。

構件信息:在邊緣構件簡圖中的構件信息,不僅可以查看通常的梁、柱、支撐、墻梁、墻柱信息,還可以查看墻身、邊緣構件信息。

目前該方法的配筋結果僅在設計結果邊緣構件簡圖中顯示,還不能傳給施工圖模塊。

經過大量實際工程計算,按邊緣構件輪廓計算配筋方式的邊緣構件配筋結果與YJK剪力墻組合配筋方式接近,一般情況下,當剪力墻組合配筋方式比分段式的非組合配筋方式配筋結果少時,按邊緣構件輪廓計算配筋的結果更小一些,反之更大一些,也就是說,按邊緣構件輪廓計算配筋的方式更加安全、更加經濟。

采用按邊緣構件輪廓計算配筋后,還可以判斷結構是否在某一方向為少墻向結構。

魏璉的《論一向少墻高層鋼筋混凝土結構的結構體系》一文中提到了單向少墻高層鋼筋混凝土結構設計方法。該文主要研究在建筑住宅戶型的創新時,出現在建筑一個方向剪力墻較多而在另一個方向剪力墻稀少的新型高層建筑結構,這類一向少墻結構的結構體系如何判別,其抗側力如何傳遞,抗震安全性如何保證和驗算設計方法等亟待解決。

少墻向抗側構件由三部分構成:

1)少墻方向剪力墻,剪力墻承擔的傾覆力矩比、剪力比為、;

2)由與框架梁相連的框架柱、剪力墻端柱及剪力墻中部梁下暗柱等形成的框架,簡稱梁柱框架,梁柱框架承擔的傾覆力矩比、剪力比為、;

3)由另向剪力墻的平面外墻肢樓板形成的扁柱框架,簡稱扁柱框架,扁柱框架承擔的傾覆力矩比、剪力比為、。

少墻向結構體系的判斷方法是:>=0.9為剪力墻結構;否則宜按照框架剪力墻結構設計。

勾選按邊緣構件輪廓計算配筋后,軟件在wv02q.out文件中同時輸出墻身、邊緣構件承擔的地震剪力、規定水平力下的傾覆彎矩等內容,可以作為判斷參照。例如判斷X向是否為少墻方向時,邊緣構件承擔的X剪力和X傾覆彎矩可以加到梁柱部分,Y墻的X剪力和X傾覆彎矩即為X向的扁柱框架部分。

對于確定的少墻向結構體系,可參照魏璉文章,由人工對結構進行相應的設計調整。

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