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剪力墙出现偏拉怎么办?
前言剪力墙作为高层建筑结构中的主要抗侧力构件,既承受水平荷载作用,又承受竖向荷载作用,在结构设计中应进行平面内的截...
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2017/12

剪力墙出现偏拉怎么办?

前言

剪力墙作为高层建筑结构中的主要抗侧力构件,既承受水平荷载作用,又承受竖向荷载作用,在结构设计中应进行平面内的截面受剪、偏心受压或偏心受拉、平面外轴心受压承载力验算。在集中荷载作用下,墙内无暗柱时还应进行局都受压承载力验算。
如果抗震墙的墙肢在多遇地震下出现偏心受拉时,在设防地震、罕遇地震下的抗震能力可能大大丧失,因此在设计中应该引起足够的重视。
美国伯克利加州大学所做的双肢剪力墙试验表明,当联肢剪力墙其中的一肢出现拉力(水平荷载下的弯曲拉力超过竖向荷载下的轴力),另一个墙肢则轴向压力很大,大大会超过设计值。国内高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010(以下简称“高规“)7.2.4及建筑抗震设计规范GB50011-2010(以下简称“抗规”)6.2.7.3对于受拉的双肢剪力墙也提出了特殊的要求。

1、规范对受拉双肢墙的要求

【高规7.2.4】抗震设计的双肢剪力墙,其墙肢不宜出现小偏心受拉。当任一墙肢为偏心受拉时,另一端肢的弯矩设计值及剪力设计值应乘以增人系数1.25。
【抗规6.2.7.3】双肢抗震墙中,墙肢不宜出现小偏心受拉;当任一墙肢为偏心受拉时,另一墙肢的剪力设计值、弯矩设计值应乘以增大系数1.25。
如果双肢剪力墙中一个墙肢出现小偏心受拉,该墙肢可能会出现水平通缝而严重削弱其抗剪能力,抗侧刚度也严重退化,由荷载产生的剪力将全郁转移到另一个端肢而导致另一墙肢抗剪承载力不足。因此,应尽可能避免出现墙肢小偏心受拉情况。当墙肢出现大偏心受拉时,墙肢极易出现裂缝,使其刚度退化,剪力将在墙肢中重分配,此时,可将另一受压墙肢按弹性计算的剪力设计值乘以1.25增大系数后计算水平钢筋,以提高其受剪承载力。在地震作用的反复荷载下,双肢墙的两个墙肢都要按照增大剪力与弯矩后的内力配筋。并且,即使多遇地震下为偏压的墙肢而设防地震下可能会转为偏拉,则其抗震能力有实质性的改变,也需要采取相应的加强措施。

2、现行设计中PKPM软件对于墙肢内力计算的处理

Satwe软件以壳元理论为基础,构造了一种通用墙元模型来摸拟剪力墙,这种墙元对于剪力墙的洞口(仅限于矩形洞)的尺寸和位置无限制,墙元不仅仅有面内的刚度,也有平面外的刚度,可以较好的模拟实际工程由剪力墙的真实受力状态。而且墙元的每个节点都具有空间全部六个自由度,可以方便地与空间任意梁、柱单元连接,而无需附加约束。从几何方面讲,剪力墙有开洞和不开洞剪力墙两种类型。当然对于开洞的剪力墙,可以依据洞口的尺寸、空间位置等又可以划分为不同的类型。

由于工程中剪力墙形状复杂多变,对于网格的细分采用映射与自由剖分相结合的方法实现自动细分。同时为解决连梁在较粗网格下刚度偏刚而导致连梁内力偏大超筋的问题,SATWE软件对于连梁的网格做了加密处理。
对联肢剪力墙,目前设计中是分别按照墙柱和墙梁进行设计的,其中的墙梁在软件中可以按照开洞方式或按照框架梁方式建模,两种建模方式的不同,在内力分析中产生的协调点也是不同的。采用不同的连梁刚度模型(壳元或杆元),对结构的整体刚度影响是很大的,构件内力计算给果也会产生较大的差异。
按连梁方式计算,梁刚度模型采用壳元,刚度大小与单元划分有关,刚度只能折减不能放大,同时也不能进行梁端负弯矩调幅和抗扭设计。这种采用二维单元模型的连梁,与两端的剪力墙协调性较好,刚度的准确性依赖于单元的划分。为了提高计算结果的准确性,软件已经将墙梁壳元自动加密划分,同时为了实现与连梁两端墙体实现位移协调,连梁的单元加密划分也会影响到两端墙体的单元划分。
在内力分析的时候是按照独立的墙柱和连梁模型进行的,在配筋设计阶段软件也是分别按照墙柱和墙梁最不利的内力组合分别进行配筋的处理。由于SATWE软件分别按照上述方式计算得到墙柱和连梁在恒、活、风及地震等作用下的单工况内力,然后按照规范的要求进单工况内力调整,之后再进行内力组合,得到墙柱与连梁的最不利的控制内力,再分别套用相应的规范公式计算出其配筋。软件计算墙肢内力是按照单肢处理,软件在剪力墙配筋计算的时候是可以判断大小偏拉,但是对于规范中的抗规与高规中要求的偏拉构件的剪力与弯矩的放大是没有直接执行的。
为了能够按照规范的要求对于受拉剪力墙进行放大处理,SATWE软件需要指定双肢墙,软件自动对其设计剪力及弯矩自动放大1.25进行配筋设计。设计人员需要在对应的“设计模型补充定义"菜单中,对于受拉的两肢墙肢定义为双肢墙,软件自动对两个独立墙肢的控制剪力、弯矩放大1.25的系数,并用放大的内力进行配筋计算。

3、对PL墙肢软件处理的分析及存在的相关问题

由于剪力墙的配筋设计,对于其边缘构件的纵筋计算是按照每个墙肢的M. N进行计算的,对于剪力墙分布筋的计算是按照V、N计算的。目前软件对于某个墙肢,只要其控制组合中出现拉力就自动在墙肢上面标示PL,不区分该拉力组合是边缘构件纵筋控制的组合还是墙体水平筋控制的组合,同时也不区分对应该拉力的组合是否是地震参与的组合。
软件对某墙肢控制组合有拉力出现时即进行PL标识,该控制组合可能是边缘构件纵筋的控制组合也有可能是剪力墙墙身水平分布筋对应的控制组合。

这就存在以下三种可能:
1)、有可能剪力墙墙身水平分布筋对应的控制组合中有拉力,软件进行PL标示,但是此时边缘构件配筋控制组合是偏压组合;
2)、边缘构件配筋控制组合是偏拉组合,软件进行了PL标示,但是墙身分布筋控制对应的组合是压力组合;
3)、边缘构件配筋控制组合与分布筋控制组合均为拉力组合,软件进行了PL标示。

由于规范中提到的是对于剪力、弯矩放大1.25,这几种情况如何进行相应的内力放大处理

(1)【风控不放大】如果对于所有的控制组合中由风荷载参与的某个组合导致剪力墙产生了拉力,软件对该剪力墙也进行了PL标识,此时按照规范即使是PL构件,不应该按照规范进行内力放大处理。
(2)【双肢墙不宜】按照规范双肢剪力墙中不允许出现小偏心受拉,目前软件并可以判断,设计人员根据软件结果调整。
(3)【压弯需注意】如果在边缘构件配筋与墙体分布筋控制组合中出现的是压弯组合,虽然墙肢未做PL标示,但有可能存在某个不是控制的地震参与的偏拉组合,按照规范若对该偏拉墙肢剪力与弯矩放大1.25再计算配筋的话,有可能该配筋会大于原来压弯组合的配筋。由于软件计算并不自动考虑该放大,因此结果输出的只是按照所有组合中配筋最大对应的控制组合及配筋量,此时应该如何进行配筋处理。
(4)【一字墙疑问】倘若某独立未开洞的一字型墙肢出现的配筋控制的组合中出现了拉力,对应配筋控制组合的内力是否应该进行放大的处理。
(5)如果对应所有的组合中,某个组合对应的配筋为小偏心受拉,但是配筋控制组合属于大偏心受拉,此时应该如何执行规范的内力放大处理.
(6)由于规范中的双肢墙是将这片开洞的墙体看成整体的一片去设计,其中的某个墙柱或墙梁相对这一整片墙是属于内部构件,如果其中某墙柱存在偏拉,荷载通过墙内部的连梁进行转移,另外一墙肢的内力会变大。SATWE程序对于这一开洞的墙肢分别是按照墙柱墙梁进行配筋设计,分别是按照各自最不利的配筋进行设计的,与规范的要求不太一致。
(7)软件在输出结果中,只要控制配筋的组合中出现拉力,就在墙体上面标示PL,而不论其是否是地震作用参与的组合;对于墙肢的所组合中,若地震参与的组合中出现拉力,程序会在该墙肢的构件信息中输出“该墙柱在地震组合下有受拉的情况,若该墙柱是双肢墙的其中一肢,请在前处理定义双肢墙,以让程序做相应的内力调整”:对于墙肢的所组合中,若非地震参与的组合中出现拉力,虽然程序在图形文件上做了PL标示,但是在墙肢构件信息中不会输出上述那段话。如果对于双肢墙剪力与弯矩需要放大的话,只需要返回SATWE“设计模型补充定义”菜单中,对于受拉的两肢墙肢定义为双肢墙,软件自动对两个独立墙肢的控制剪力、弯矩放大1.25的系数。

4、双肢剪力墙受拉配筋建议

剪力墙的纵筋一般设计在两端的边缘构件中,墙体中部设置分布钢筋,截面内力(M与N)由边缘构件承担,边缘构件一般作为压弯或者拉弯构件进行设计,墙身分布筋主要由N与V控制。由于实际工程中有一部分属于独立的可看做悬臂型的剪力墙,有一部分属于开洞形成的双肢或者多肢剪力墙,在实际的配筋设计中,规范要求是按照每个独立的墙柱和墙梁考虑最不利的组合进行配筋设计。规范中对于受拉双肢墙配筋的内力放大要区分是否是地震作用的组合以及双肢墙大小偏拉的问题。同时规范中受拉双肢墙剪力与弯矩的放大并不一定出现在同一组合(控制边缘构件配筋的M, N与控制墙身水平分布筋的N, V一般不属于同一个组合)。因此,个人认为对于受拉剪力墙的配筋有如下建议:
(1)若独立的一字型墙肢出现偏拉,软件中做了PL标示,由于一字型端肢按照最不利内力组合进行了设计,并且也不满足规范受拉双肢墙的要求,因此没必要判断该拉力是边缘构件配筋控制组合下产生的还是剪力墙分布筋控制组合下产生的,也没有必要判断该拉力是否是地震作用参与的组合产生的,在实际的配筋中均可直接按照SATWE计算结果进行配筋处理。但是需要验算边缘构件配筋组合下属于大偏拉还是小偏拉,由于小偏拉是全截面受拉,因此在实际设计中建议尽量通过调整结构方案避免底部加强部位的墙肢在地震作用组合下出现小偏心受拉。
(2)若属于开一洞口形成的剪力墙,其中某一肢或者两肢均出现PL标示,则要细分以下各种情况:
1、如果计算结果中墙肢上面标示PL,但是在该墙肢对应的构件信息下没有输出“该墙柱在地震组合下有受拉的情况,若该墙柱是双肢墙的其中一肢,请在前处理定义双肢墙,以让程序做相应的内力调整”这一说明,代表该墙肢控制配筋组合中有拉力,但是所有地震参与的组合中均无拉力出现,此时可直接采用SATWE的计算结果作为最终的配筋结果。
2、如果计算结果中墙肢上面标示PL,同时在该墙肢对应的构件信息下输出“该墙柱在地震组合下有受拉的情况,若该墙柱是双肢墙的其中一肢,请在前处理定义双肢墙,以让程序做相应的内力调整”这一说明,代表该墙肢在某地震作用参与的组合下产生的轴力起了控制作用。
1)如果边缘构件纵筋控制组合是压弯组合,墙身分布筋控制组合中有拉力,则此时应该返回SATWE将该墙肢定义为双肢墙,软件会自动对该墙肢在地震作用受拉的组合下的剪力与弯矩均放大1.25进行配筋计算,若此有地震参与的拉弯配筋大于之前压弯计算的配筋,软件会输出拉弯下的较大的配筋。
2)如果边缘构件纵筋控制组合是拉弯组合,墙身分布筋控制组合中也有拉力,则也应该返回SATWE将该墙肢定义为双肢墙,软件自动对该墙肢在地震作用参与的受拉组合下的剪力与弯矩均放大1.25进行配筋计算。
3)如果边缘构件纵筋控制组合是拉弯组合,墙身分布筋控制组合是压力,则同样应该返回SATWE将该墙肢定义为双肢墙,软件自动对该墙肢在地震作用参与的所有受拉组合下的剪力与弯矩均放大1.25进行配筋计算。
这个过程软件计算并不区分大小偏拉的问题。从规范来看,对双肢墙按照内力放大是区分大小偏拉的,小偏拉规范要求要求不宜出现。
因此,从配筋角度来讲,个人建议此种情况下应该区分大小偏拉的问题。定义双肢墙计算之后得到配筋及其控制组合,此时取控制组合对应未调整的M、N计算偏心距,判断该墙肢是否属于小偏拉,如果是大偏拉,可直接按照之前SATWE计算配筋即可,没必要采用定义双肢墙之后得到的配筋。如果是小偏拉,对于底部加强部位墙肢建议按照定义双肢墙之后的配筋,若是其他部位墙肢可直接取之前SATWE计算配筋。

(3)如果墙肢上面未做PL标示,只能说明配筋控制组合中无拉力出现,并不能保证其中某些组合中不出现拉力,若在该墙肢对应的构件信息下输出“该墙柱在地震组合下有受拉的情况,若该墙柱是双肢墙的其中一肢,请在前处理定义双肢墙,以让程序做相应的内力调整”这一说明,代表该墙肢在某地震作用参与的组合下产生了轴力。应返回SATWE将该墙肢定义为双肢墙,软件会自动对该墙肢在地震作用受拉的组合下的剪力与弯矩均放大1.25进行配筋计算,若此有地震参与的拉弯配筋大于之前压弯计算的配筋,软件会输出拉弯下的较大的配筋。同样应该区分大小偏拉的问题,如果对应配筋控制组合下属于小偏拉,并且是底部加强部位墙肢,建议按双肢墙放大内力之后的配筋作为最终配筋依据,如果是其他部位的小偏心受拉墙肢或者属于大偏拉墙肢,则建议配筋直接按照SATWE之前计算的结果即可。

从以上的分析来看,其实对于规范双肢墙偏拉的内力放大存在很多不太明确的地方,比如大小偏拉的问题、墙肢按照单肢最不利设计的问题以及边缘构件配筋控制组合与墙身分布筋控制组合不同的问题等,并且按照《建筑结构荷载规范GB50009-2012) 3.2.4中第一条的要求,对于永久荷载效应对结构有利时,基本组合的荷载分项系数取不应大于1.0,那在判断墙肢是否会产生拉力的时候应该不能按照设计组合去判断,而应该采取1.0分项系数取做判断。基于以上问题都不太明确,并且软件也不能很完美的解决该问题,只是提供了相应的处理方法,但是审图及设计人员往往在实际配筋中还是比较难把握,显得比较迷茫。
因此,在实际配筋设计中提出上述建议供大家参考,尤其是审图机构,在审图中对软件输出的PL应该有正确的认知,不建议盲目的要求设计人员去定义双肢墙做这个剪力与弯矩放大处理。对于规范的要求应该从概念方面出发,做到详细完善的理解,力求使得到的受拉剪力墙的配筋符合安全性和经济性的要求。

Last modification:October 1st, 2018 at 10:44 pm

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