一种计算钢筋混凝土剪力墙的方法和一种新型剪力墙与流程

本技术涉及建筑工程领域，更具体地涉及一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土能承受的最大荷载的方法及一种新型结构的剪力墙。

背景技术：

1、钢筋混凝土剪力墙是目前广泛应用于高层建筑结构中的主要抗侧力构件。钢筋混凝土剪力墙在结构中主要承受剪力作用或侧向水平荷载，具有整体性好、抗侧刚度大、承载性能好的力学特点。此外，钢筋混凝土剪力墙还具有施工技术成熟、造价相对低廉的优点。

2、现有的设计方法中，钢筋混凝土剪力墙的结构形式是由水平和竖直放置的钢筋网格与混凝土浇筑成型的墙体结构。剪力墙中钢筋在水平和竖直方向的布置形式一般为均匀分布，即在水平或者垂直方向的钢筋的直径和间距都相同。

3、钢筋和混凝土协同工作，共同抵御外部荷载的作用。在外部荷载达到一定程度之后，剪力墙中的混凝土发生开裂，此时钢筋处于单轴受拉状态，混凝土处于单轴受压状态。

4、在钢筋混凝土剪力墙中会观察到所谓的软化现象，即混凝土在内部的平均压应力远没有达到其破坏强度时会发生破坏。由于钢筋混凝土剪力墙构件需要钢筋和混凝土同时协调工作，只要钢筋或混凝土其中任一项材料发生破坏则剪力墙构件不能继续工作，因此剪力墙的抗剪强度显著低于基于材料强度的预期值。

5、虽然通过适当增加剪力墙中的钢筋的含量也就是配筋率可以增大剪力墙的抗剪强度，但实际中剪力墙中钢筋的配筋率也不能随意增大。首先，当配筋率达到一定程度之后，会发生混凝土先达到其材料强度发生破坏的情况，因此，继续增加配筋率并不会增加剪力墙的抗剪强度。而且，混凝土先于钢筋发生破坏属于脆性破坏，危害性极大，属于结构设计中需要避免的情况。

6、由于混凝土软化机理不清楚导致剪力墙的破坏机理不明确，因而抗震规范中只规定了剪力墙的最低配筋率(水平分布筋不小于0.25％)，而规范中关于钢筋混凝土梁和柱不仅规定了最小配筋率(一侧纵向钢筋，0.2％)，还规定了最大配筋率(梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5％，柱全部纵向钢筋配筋率不宜大于5％)。因此，在工程实践中钢筋混凝土剪力墙配筋率相比梁和柱一般都比较低，使得钢筋达到屈服状态的时候剪力墙中混凝土的压力较小且未达到破坏状态，保证结构的延性破坏。

7、因此，基于现有的设计方法，难以单纯的通过提高钢筋的配筋率来提高剪力墙的强度。为提高剪力墙的性能，通常需要增大混凝土的强度或剪力墙的尺寸，提高结构强度花费的代价较大。在剪力墙尺寸确定的情况下，提高剪力墙的强度有时候是很困难的。

技术实现思路

1、本技术要解决的问题是：基于发现的混凝土软化现象的机理，找到一种定量计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土最大平均压应力的方法，从而判断剪力墙能承受的最大荷载，进而计算剪力墙所容许的最大配筋率。在保证剪力墙延性破坏的前提下，通过合理的布置钢筋来减轻混凝土软化现象，提高剪力墙容许的钢筋最大配筋率，提高剪力墙结构的强度。

2、申请人发现，现有设计方法中，传统的钢筋混凝土剪力墙的结构形式如图1所示，是由水平和竖直放置的钢筋网格与混凝土浇筑成型的墙体结构。剪力墙中钢筋在水平和竖直方向的布置形式一般为均匀分布，即在水平或者垂直方向的钢筋的直径和间距都相同。在此种结构下，图1中圈出的剪力墙圆圈部分内部局部单元的受力情况的示意图如图2所示，剪力墙主要受到二维平面内的正应力(σl和σt)和剪应力(τlt)的作用，下标l和t分别表示纵向和横向。剪力墙中的钢筋和混凝土共同工作，使得剪力墙可以承担外部荷载。当荷载增大之后剪力墙单元会发生开裂，裂缝的分布形式如图2所示，从剪力墙左上方延伸至右下方，开裂角和垂直方向之间的夹角为αd。

3、图2中虚线部分剪力墙的钢筋和混凝土的受力情况如图3所示。由于混凝土沿着垂直于最大主应力的方向开裂，因此单元开裂之后图3中混凝土压杆处于单轴受压状态，在裂缝之间的钢筋处于受拉状态。图3中钢筋受到水平和垂直方向的拉力ft和fl，混凝土中的压应力σd即为外部荷载(σl，σt和τlt)在开裂方向上的分量，用摩尔应力圆方法即可计算出来。图中的r和d分别表示垂直和平行于裂缝的方向。图3中开裂后成条状的混凝土称为混凝土压杆。由于混凝土压杆处于单轴受压状态，钢筋处于单轴受拉状态，和桁架结构的受力特点相同，因此图3这种分析剪力墙受力的模型被称为桁架模型。我们称这种模型为经典的桁架模型或者传统的桁架模型。上述传统桁架模型仅考虑外部荷载对混凝土所产生的压力，未考虑钢筋和混凝土相互作用对混凝土所产生的影响。

4、图3中传统桁架模型的钢筋和混凝土简化后的受力情况如图4所示。其中fl和ft分别为单根横向和纵向钢筋中的拉力。

5、从图4中可以看出，钢筋的拉力作用于一个点并且合力为0，因此受拉钢筋对混凝土中应力分布的影响为0。这是传统桁架模型中非常重要的一个假设：既钢筋和混凝土的相互作用对混凝土中的应力分布不产生影响，或者说影响很小可以忽略，并且传统桁架结构认为图3中混凝土压杆中的压力分布是均匀的。

6、传统桁架模型具有物理意义清晰，方法简单的特点。但是，由于观察到剪力墙单元在混凝土中的压应力σd在远小于混凝土的单轴抗压强度时会发生破坏，因此根据混凝土材料的破坏强度来判断单元的破坏会大大高估单元的破坏强度，根据传统桁架模型来分析剪力墙单元的破坏强度会大大高估剪力墙单元的强度。观察到的这种现象叫混凝土的软化，混凝土的软化受到多个因素的影响，难以定量化，因此剪力墙单元破坏强度的确定一直是个难题。

7、为了解决上述技术问题，提出了本技术。本技术根据对混凝土软化机理的新认识，通过对混凝土软化现象的量化分析，提供了一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土中的最大平均压应力的方法，并设计了一种新型结构的剪力墙。

8、本技术涉及一种计算钢筋混凝土剪力墙的混凝土中的最大平均压应力的方法，其中：获取剪力墙承担的外部荷载，所述外部荷载包括二维平面内的正应力和剪应力；计算混凝土在不考虑钢筋和混凝土之间相互作用影响下的平均压应力σd；计算钢筋和混凝土之间相互作用对混凝土中最大平均压应力的贡献值；基于所述平均压应力σd和所述钢筋和混凝土之间相互作用对混凝土中最大平均压应力的贡献值来计算所述剪力墙中混凝土的最大平均压应力。

9、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述混凝土在不考虑钢筋和混凝土之间相互作用影响下的平均压应力σd为外部荷载作用下在沿混凝土开裂方向上的正应力，可以通过摩尔应力圆方法，基于外部荷载及剪力墙开裂角计算得出。

10、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，所述混凝土在不考虑钢筋和混凝土之间相互作用影响下的平均压应力σd可基于以下公式计算得出：

11、

12、其中σr为剪力墙单元垂直于开裂面方向的正应力，σd为剪力墙单元平行于开裂面方向的正应力，τrd为剪力墙单元平行或垂直于开裂面上的剪应力，σl和σt分别为剪力墙纵向和横向截面上的平均正应力，τlt为剪力墙单元横向和纵向截面上的平均剪应力，αd为剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角，也称为开裂角。

13、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述钢筋和混凝土之间的相互作用对混凝土中压力的贡献值是通过所述剪力墙受到外部荷载发生开裂时，由钢筋和混凝土形成剪力墙的最小结构单元的受力情况来计算。

14、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述剪力墙的最小结构单元为剪力墙开裂时形成的条状混凝土，也称为混凝土压杆。

15、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述钢筋和混凝土之间的相互作用对混凝土中压力的贡献值是基于所述剪力墙的开裂角、所述混凝土压杆中的纵向和横向钢筋最大的拉应力和最小拉应力、所述混凝土压杆中的纵向配筋率和横向配筋率、混凝土压杆的最小宽度以及所述横向钢筋和纵向钢筋的布设间距来计算。

16、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述混凝土压杆中的纵向和横向钢筋最大的拉应力为所述混凝土压杆开裂面处钢筋所受到的拉应力。

17、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述混凝土压杆中的纵向和横向钢筋最小的拉应力为嵌入混凝土中纵向和横向钢筋中点的拉应力。

18、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述混凝土压杆中的纵向配筋率和横向配筋率基于单根横向和纵向钢筋面积、直径、纵向和横向钢筋之间的间距、钢筋布置的层数进行计算。

19、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述钢筋混凝土剪力墙中混凝土能承受的最大平均压应力基于以下公式计算：

20、

21、其中flcr和ftcr分别为所述混凝土压杆中的纵向和横向钢筋最大的拉应力，fl0和ft0分别为所述混凝土压杆中的纵向和横向钢筋最小的拉应力，也为钢筋中的最小拉应力；sm为所述混凝土压杆的最小宽度，lp为所述混凝土压杆中两个横向和纵向钢筋交点间的距离，ρl为所述混凝土压杆的纵向配筋率，ρt为所述混凝土压杆的横向配筋率，αd为剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角，也称为开裂角。

22、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，假定，当纵向和横向钢筋中最小拉应力为0，即钢筋中的拉力全部传导到混凝土中，所述钢筋混凝土剪力墙能承受的荷载达到上限，基于以下公式计算：

23、

24、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述为所述混凝土压杆最小宽度基于以下公式计算：

25、sm＝slcosαd＝stsinαd，

26、其中sl和st分别为纵向和横向钢筋的间距。

27、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述混凝土压杆中两个横向和纵向钢筋交点间的距离基于以下公式计算：

28、

29、其中sl和st分别为纵向和横向钢筋的间距。

30、根据本技术的一种计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，其中，所述混凝土压杆中的纵向和横向钢筋最大的拉应力和所述开裂角基于以下公式计算得出：

31、

32、钢筋屈服之前，剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角αd通过外部荷载的主拉应力方向来近似，钢筋中的拉应力即可计算出来；当某个方向钢筋屈服之后，其中拉应力为常数，于是可以计算出另外一个方向钢筋中的拉力以及裂缝开裂的角度。

33、本技术还提供了一种计算剪力墙能承受的最大荷载的方法，其中：基于以上任一项所述计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法，按照指定规则调整输入剪力墙承担的外部荷载的数值，所述外部荷载包括二维平面内的正应力和剪应力；计算所述钢筋混凝土剪力墙中混凝土中最大平均压应力数值，判断所述最大平均压应力是否达到剪力墙中混凝土材料的单轴抗压强度；当所述最大平均压应力数值等于所述混凝土材料的单轴抗压强度时，或横向与纵向钢筋中的应力都达到其屈服强度，所述输入的外部荷载数值即为剪力墙所能承受的最大荷载。在本技术中，外部荷载为正应力和剪应力的组合，本技术所述的指定规则没有具体的限制，本领域技术人员可以按照需求设定任意规则去指定输入，需要注意的是输入的正应力和剪应力组合不同，对破坏强度的值可能会有影响。

34、本技术还提供了一种判断剪力墙的最大配筋率的方法，其中：

35、基于以上所述计算钢筋混凝土剪力墙能承受的最大荷载的方法，输入剪力墙横向钢筋和/或纵向钢筋的配筋率，计算剪力墙中混凝土能承受的最大荷载；

36、调整增加输入的剪力墙横向钢筋和/或纵向钢筋的配筋率，观察所述剪力墙中混凝土能承受的最大荷载的变化；当所述剪力墙横向钢筋和纵向钢筋的配筋率增加到某一阈值，超过该阈值后剪力墙能承受的最大荷载保持不变，则该阈值即为所述剪力墙的最大配筋率。

37、本技术所述计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力的方法考虑了钢筋和混凝土之间相互作用对剪力墙中混凝土压应力所产生的影响，建立了剪力墙中混凝土最大平均压应力的计算模型，该模型可以用于计算剪力墙所能承受的最大荷载，还可以用于计算剪力墙在指定形式荷载作用下的最大配筋率，对钢筋混凝土剪力墙的构建有非常重要的指导意义。

38、本技术还提供了一种新型结构的剪力墙，其中，所述剪力墙由钢筋和混凝土浇筑而成，其中：所述钢筋包括若干第一斜向钢筋和若干第二斜向钢筋，所述若干第一斜向钢筋和/或若干钢筋直径相同，所述第一斜向钢筋与剪力墙在外部荷载作用下混凝土开裂方向平行；所述第二斜向钢筋排布方向与所述第一斜向钢筋排布方向对称。

39、根据本技术所述的剪力墙，其中，所述第一斜向钢筋间距相同。

40、根据本技术所述的剪力墙，其中，所述第二斜向钢筋间距相同。

41、根据本技术所述的剪力墙，所述第一斜向钢筋间距和第二斜向钢筋间距相同。

42、根据本技术所述的剪力墙，该剪力墙的混凝土中最大平均压应力通过前述计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土中最大平均压应力的方法计算。

43、根据本技术所述的剪力墙，其中，所述第一斜向钢筋与地面夹角为45度，所述第二斜向钢筋与地面夹角为45度。

44、根据本技术所述的剪力墙，所述钢筋可以采用双层排布。即所述第一斜向钢筋和第二斜向钢筋采用双层结构。

45、根据本技术所述的新型结构的剪力墙，其中，当第一斜向钢筋与地面夹角为45度且第二斜向钢筋与地面夹角为45度时，在纯剪力作用下，所述钢筋和混凝土之间相互作用对混凝土中最大平均压应力的贡献值为0。

46、根据本技术所述的新型结构的剪力墙，其中，所述剪力墙能承受的最大荷载通过前述计算剪力墙所能承受的最大荷载的方法计算。

47、根据本技术所述的新型结构的剪力墙，其中，所述剪力墙的最大配筋率通过前述计算剪力墙最大配筋率方法计算。

48、本技术所述的新型钢筋混凝土剪力墙，调整了传统剪力墙中钢筋的排布方式，将第一斜向钢筋平行于在外部荷载作用下混凝土开裂的方向进行排布，第二斜向钢筋排布角度与第一斜向钢筋对称，在此种结构下，受拉钢筋通过粘结应力传导到混凝土的力的作用对混凝土中的压力贡献大大减小，这样就可以减轻混凝土的软化。当第一斜向钢筋和第二斜向钢筋与地面夹角均为45度时，纯剪力作用下，所述钢筋和混凝土之间相互作用对混凝土中最大平均压应力的贡献值为0，这样就可以消除混凝土的软化。减轻或者完全消除混凝土的软化现象，都能提高钢筋混凝土剪力墙的破坏强度。

49、本技术所述的新型钢筋混凝土剪力墙同样可以采用前文所述的计算钢筋混凝土剪力墙中混凝土中最大平均压应力的方法、剪力墙能承受的最大荷载的方法和计算剪力墙的最大配筋率的方法来计算，通过计算可以验证出该新型结构剪力墙在可以容许更高的配筋率，其破坏强度相比传统剪力墙得到了大幅提升。