CN113158318B - 一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法 - Google Patents

一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，主要步骤包括：建模时采用实体单元来模拟带异形端柱剪力墙墙肢，并对整体结构模型进行有限元计算分析；找出整体组合墙截面的形心位置，分析统计得到整体截面的最不利设计组合内力；对墙肢进行线性屈曲模态稳定性分析；计算整体墙肢截面的平均轴压比，初步确定墙肢边缘构件类型及各部位配筋面积；绘制相关承载力骨架曲线；通过将相关荷载效应交点绘制到上述对应承载力骨架曲线内，来判断墙肢正截面承载力配筋是否满足设计要求。本发明提供的计算方法考虑了异形端柱截面形状特征对墙肢配筋计算结果的影响；考虑了异形端柱与剪力墙墙肢的共同受力，其配筋结果可保证墙肢结构设计安全，在实际工程设计中具有一定的实用性。

Description

一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程结构设计领域，具体为一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法。
背景技术
现阶段常用的结构计算软件对采用壳单元模拟的带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计时，会将端柱与其相连墙肢采用等效墙厚的粗略方式进行设计，无法考虑带异形端柱剪力墙墙肢截面形状特征对计算结果的影响；采用杆单元模拟端柱时，软件对墙柱采用直接叠加的计算处理方法，各自采用不同的计算假定，造成带端柱剪力墙墙肢配筋计算结果不合理。由于带异形端柱剪力墙墙肢其截面形状不规则，受力复杂，如采用传统设计中将整体墙肢粗略的等效成矩形、T形或工形截面进行设计，无法反映出其真实受力情况，导致计算结果误差较大，构件配筋承载力存在不安全因素。
本发明改变了当前对带异形端柱剪力墙墙肢较粗糙的传统设计方法，提供了一种相对更合理准确的新技术思路，该方法考虑了异形端柱与墙肢的相互影响及共同受力，其配筋结果可保证墙肢结构设计安全，在实际工程设计中具有一定的实用性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，包括以下步骤：
S1、采用建筑结构空间有限元设计软件中对整体结构进行建模，建模时采用实体单元来模拟带异形端柱剪力墙墙肢；
S2、对整体结构模型进行有限元计算分析，得到带异形端柱剪力墙各方向墙肢的设计内力；
S3、找出整体组合截面的形心位置，确定出以截面形心为原点的直角坐标系；
S4、将各方向墙肢的轴力、弯矩换算到两个形心轴求和叠加，分析统计得到整体墙肢截面的最不利设计组合内力；
S5、对墙肢进行线性屈曲模态稳定性分析，如不满足重新调整墙肢截面尺寸；
S6、计算整体墙肢截面的平均轴压比，根据规范要求初步确定墙肢边缘构件类型及各部位配筋面积, 并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图；
S7、绘制整体墙肢截面绕两坐标轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线；
S8、通过将最不利荷载工况中组合弯矩与组合轴力的交点，及两方向组合弯矩与弯矩的交点绘制到上述对应相关曲线内，来判断墙肢正截面承载力配筋是否满足设计要求。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S2中，还需通过对整体结构模型进行有限元进行计算分析，得到不同荷载工况作用下带异形端柱剪力墙各方向墙肢的弯矩和轴力。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S3具体为，绘制出带异形端柱剪力墙墙肢的平面投影截面形状，找出整体组合截面的形心位置，确定出以截面形心为原点的直角坐标系中的横向坐标轴X轴、纵向坐标轴Y轴。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中，还需分析统计得到整体截面的最不利设计荷载工况组合轴力N和组合弯矩M。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S5具体为，对设置异形端柱剪力墙墙肢施加单位竖向力，进行线性屈曲模态分析得到屈曲临界荷载Pcr，如S4中的组合轴力N≤Pcr/8则进行后续步骤；如不满足则调整墙肢截面尺寸，重新进行S1至S4。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S6中，需计算整体墙肢截面的平均轴压比，根据规范要求确定带异形端柱剪力墙墙肢其边缘构件类型及阴影区范围；同时根据现行规范及规程中的最小配筋率构造规定，初步确定边缘构件阴影区内全部纵向受力钢筋、异形端柱各肢端纵向受力钢筋及墙身竖向分布钢筋的最小配筋面积。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S6中，需根据计算得到的最小配筋面积，初步确定墙肢各部位所需钢筋直径、根数并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图，确定边缘构件阴影区内每根纵向受力钢筋及墙身每根竖向分布钢筋的准确位置。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S7具体为，在通用截面分析软件中将整体墙肢截面中的混凝土及钢筋，按整体墙肢截面钢筋平面布置放样图真实建模；按现行规范设计要求确定墙肢所采用砼材料及钢筋材料的应力应变本构关系，计算分析得到整体墙肢截面绕横向X轴及纵向Y轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线。
作为本发明的一种优选技术方案，将S4中得到的组合弯矩与组合轴力的交点，按其对应的荷载工况作用方向，分别绘制到S7中两坐标轴对应的轴力弯矩正截面承载力骨架曲线中；将绕两坐标轴对应的组合弯矩与弯矩的交点，绘制到组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线中，如上述各交点均在对应的骨架曲线内部，表明整体墙肢正截面承载力设计满足规范要求。
作为本发明的一种优选技术方案，若S8中的任一交点不在上述相关骨架曲线内时，调整边缘构件阴影区内纵向钢筋、墙身竖向分布钢筋的配筋面积，配筋量需满足相关规范最小配筋率及最大配筋率的设计要求，重新进行S6至S8。
本发明的有益效果是：
一、该种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法可较准确的确定带异形端柱剪力墙墙肢其各部位钢筋的配筋量，使钢筋配置更加合理可靠；
二、本发明提供了详细的带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计流程；提供了采用实体单元来模拟带异形端柱剪力墙墙肢，以考虑整体墙肢截面形状特征对计算结果的影响；提供了如何将异形端柱作为墙肢的一部分，考虑两者共同受力按整体截面设计的计算方法。通过该设计方法计算出的墙肢受力钢筋配筋量可保证结构设计安全，墙肢截面配筋方式符合现行规范的构造做法要求，在实际工程设计中具有一定的实用性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明实施例的带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计流程图；
图2为根据本发明实施例的带异形端柱剪力墙墙肢底层结构平面布置图；
图3为根据本发明实施例的带异形端柱剪力墙墙肢钢筋平面布置放样图1；
图4为根据本发明实施例的墙肢截面绕X轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线平面图1；
图5为根据本发明实施例的墙肢截面绕Y轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线平面图1；
图6为根据本发明实施例的墙肢截面组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线平面图1；
图7为根据本发明实施例的带异形端柱剪力墙墙肢钢筋平面布置放样图2；
图8为根据本发明实施例的墙肢截面绕X轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线平面图2；
图9为根据本发明实施例的墙肢截面绕Y轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线平面图2；
图10为根据本发明实施例的墙肢截面组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线平面图2。
其中，图中的字母符号含义分别为：
N：整体墙肢截面最不利荷载工况中的设计组合轴力；
Pcr：整体墙肢截面线弹性屈曲临界荷载；
As1：异形端柱部位剪力墙边缘构件阴影区内设置的纵向受力钢筋面积；
As2：非异形端柱一侧剪力墙边缘构件阴影区内设置的纵向受力钢筋面积；
AsV：剪力墙墙身范围内设置的竖向分布钢筋面积。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1所示，本发明提供一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力的配筋设计方法，包括如下步骤：
步骤1，采用建筑结构空间有限元设计软件中对整体结构进行建模，建模时采用实体单元来模拟带异形端柱剪力墙的各方向墙肢。
步骤2，对整体结构模型进行有限元计算分析，得到不同荷载工况作用下带异形端柱剪力墙各方向墙肢的设计内力、弯矩、轴力。
步骤3，绘制出带异形端柱剪力墙墙肢的平面投影截面形状，找出整体组合截面的形心位置，确定出以截面形心为原点的直角坐标系中的横向坐标轴X轴、纵向坐标轴Y轴。
步骤4，将不同荷载工况下各方向墙肢的轴力、弯矩换算到两个形心轴求和叠加，分析统计得到整体截面的最不利设计荷载工况组合内力，组合轴力N，组合弯矩M。
步骤5,对设置异形端柱剪力墙墙肢施加单位竖向力，进行线性屈曲模态分析得到屈曲临界荷载Pcr，如步骤4中的组合轴力N≤Pcr/8则进行后续步骤；如不满足则调整墙肢截面尺寸，重新进行步骤1至步骤4。
步骤6，计算整体墙肢截面的平均轴压比，根据规范要求确定带异形端柱剪力墙墙肢其边缘构件类型及阴影区范围；同时根据现行规范及规程中的最小配筋率构造规定，初步确定边缘构件阴影区内全部纵向受力钢筋、异形端柱各肢端纵向受力钢筋及墙身竖向分布钢筋的最小配筋面积。
步骤7，根据步骤6中计算的最小配筋面积，初步确定墙肢各部位所需钢筋直径、根数并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图，确定边缘构件阴影区内每根纵向受力钢筋及墙身每根竖向分布钢筋的准确位置。
步骤8，在通用截面分析软件中将整体墙肢截面中的混凝土及钢筋，按整体墙肢截面钢筋平面布置放样图真实建模。按现行规范设计要求确定墙肢所采用砼材料及钢筋材料的应力应变本构关系，计算分析得到整体墙肢截面绕X轴及Y轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线。
步骤9，将步骤4中得到的组合弯矩与组合轴力的交点，按其对应的荷载工况作用方向，分别绘制到步骤8中两坐标轴对应的轴力弯矩正截面承载力骨架曲线中；将绕两坐标轴对应的组合弯矩与弯矩的交点，绘制到组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线中，如上述各交点均在对应的骨架曲线内部，表明整体墙肢正截面承载力设计满足规范要求。
步骤10，若步骤9中的任一交点不在上述相关骨架曲线内时，调整边缘构件阴影区内纵向钢筋、墙身竖向分布钢筋的配筋面积，配筋量需满足相关规范最小配筋率及最大配筋率的设计要求，重新进行步骤7至步骤9。
本实施例就某带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计的流程进行详细说明。
某25层板式高层剪力墙结构住宅项目，抗震设防烈度为8度(0.3g)，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第三组，底层层高为3.3m，其底层剪力墙墙肢结构平面布置如图2中所示，剪力墙抗震构造措施等级为一级，现对底层某带L形端柱的异形端柱剪力墙墙肢Q1进行正截面承载力配筋设计。
墙肢Q1其混凝土强度等级为C55，边缘构件阴影区内暗柱纵筋强度等级为HRB500级，墙身竖向分布钢筋强度等级为HRB400级，墙肢截面尺寸详图2中所示。
首先建模时采用实体单元模拟Q1，对整体结构模型进行有限元计算分析，得到Q1各方向的设计内力，将各方向轴力、弯矩换算到两个形心轴求和叠加，经分析统计得到Q1的最不利荷载工况组合内力为：组合轴向拉力N1=-4600kN，组合弯矩Mx=4600kN.m，My=950kN.m；对Q1进行线性屈曲模态分析得到第一阶屈曲临界荷载Pcr=98825kN，墙体稳定性验算时最不利组合轴向压力为N2=10452kN＜Pcr/8=12353kN满足要求，进行后续设计。
墙肢Q1其全截面平均轴压比约为0.18，根据现行相关规范要求其边缘构件按构造边缘构件设置。根据现行规范中的最小配筋率构造规定，初步确定边缘构件阴影区内受力钢筋，及墙身竖向分布钢筋的最小配筋面积，并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图如图3所示。绘制整体墙肢截面绕两坐标轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力N1对应水平的两方向弯矩相关骨架曲线；并将最不利荷载工况中N1与Mx的交点、N1与My的交点、及Mx与My的交点分别绘制到上述对应相关骨架曲线内，如图4、图5、图6所示。
从图6中的计算结果可见，两方向弯矩交点未在骨架曲线内，Q1的正截面承载力配筋不满足要求；重新调整边缘构件阴影区内受力钢筋，及墙身竖向分布钢筋的配筋面积，并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图如图7所示。重新绘制整体墙肢截面绕两坐标轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力N1对应水平的两方向弯矩相关骨架曲线；并将最不利荷载工况中N1与Mx的交点、N1与My的交点、及Mx与My的交点分别绘制到上述对应相关骨架曲线内，如图8、图9、图10中所示。
从图8、图9、图10中的计算结果可见，相关荷载效应交点均位于对应的承载力骨架曲线内，Q1的正截面承载力配筋设计满足要求。
综上所述，本实施例图2按照图1中的相关步骤，可较准确的计算带异形端柱剪力墙墙肢的正截面承载力配筋；该方法应用于建筑结构领域带异形端柱剪力墙墙肢的正截面承载力配筋设计中，本发明提供了一种相对更合理准确的新技术思路，该设计方法考虑了异形端柱与墙肢的相互影响及共同受力，其计算结果可保证墙肢结构安全。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用建筑结构空间有限元设计软件对整体结构进行建模，建模时采用实体单元来模拟带异形端柱剪力墙墙肢；
S2、对整体结构模型进行有限元计算分析，得到带异形端柱剪力墙各方向墙肢的设计内力；
S3、找出整体组合截面的形心位置，确定出以截面形心为原点的直角坐标系；
S4、将各方向墙肢的轴力、弯矩换算到两个形心轴求和叠加，分析统计得到整体墙肢截面的最不利设计组合内力；
S5、对墙肢进行线性屈曲模态稳定性分析，如不满足重新调整墙肢截面尺寸；
S6、计算整体墙肢截面的平均轴压比，根据规范要求初步确定墙肢边缘构件类型及各部位配筋面积, 并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图；
S7、绘制整体墙肢截面绕两坐标轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线；
S8、通过将最不利荷载工况中组合弯矩与组合轴力的交点，及两方向组合弯矩与弯矩的交点绘制到上述对应相关曲线内，来判断墙肢正截面承载力配筋是否满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
所述S2中，还需通过对整体结构模型进行有限元计算分析，得到不同荷载工况作用下带异形端柱剪力墙各方向墙肢的弯矩和轴力。
3.根据权利要求1所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
所述S3具体为，绘制出带异形端柱剪力墙墙肢的平面投影截面形状，找出整体组合截面的形心位置，确定出以截面形心为原点的直角坐标系中的横向坐标轴X轴、纵向坐标轴Y轴。
4.根据权利要求1所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
所述S4中，还需分析统计得到整体截面的最不利设计荷载工况组合轴力N和组合弯矩M；
所述S5具体为，对设置异形端柱剪力墙墙肢施加单位竖向力，进行线性屈曲模态分析得到屈曲临界荷载Pcr，如S4中的组合轴力N≤Pcr/8则进行后续步骤；如S4中的组合轴力N＞Pcr/8则重新进行S1至S4。
5.根据权利要求1所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
所述S6中，需计算整体墙肢截面的平均轴压比，根据规范要求确定带异形端柱剪力墙墙肢其边缘构件类型及阴影区范围；同时根据现行规范及规程中的最小配筋率构造规定，初步确定边缘构件阴影区内全部纵向受力钢筋、异形端柱各肢端纵向受力钢筋及墙身竖向分布钢筋的最小配筋面积。
6.根据权利要求5所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
所述S6中，需根据计算得到的最小配筋面积，初步确定墙肢各部位所需钢筋直径、根数并绘制整体墙肢截面钢筋平面布置放样图，确定边缘构件阴影区内每根纵向受力钢筋及墙身每根竖向分布钢筋的准确位置。
7.根据权利要求1所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
所述S7具体为，在通用截面分析软件中将整体墙肢截面中的混凝土及钢筋，按整体墙肢截面钢筋平面布置放样图真实建模；
按现行规范设计要求确定墙肢所采用砼材料及钢筋材料的应力应变本构关系，计算分析得到整体墙肢截面绕X轴及Y轴的轴力与弯矩正截面承载力骨架曲线，及组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线。
8.根据权利要求4或7任一所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
将S4中得到的组合弯矩与组合轴力的交点，按其对应的荷载工况作用方向，分别绘制到S7中两坐标轴对应的轴力弯矩正截面承载力骨架曲线中；将绕两坐标轴对应的组合弯矩与弯矩的交点，绘制到组合轴力N对应水平的两方向弯矩与弯矩相关骨架曲线中，如上述各交点均在对应的骨架曲线内部，表明整体墙肢正截面承载力设计满足规范要求。
9.根据权利要求1所述的一种带异形端柱剪力墙墙肢正截面承载力配筋设计方法，其特征在于：
若S8中的任一交点不在上述相关骨架曲线内时，调整边缘构件阴影区内纵向钢筋、墙身竖向分布钢筋的配筋面积，配筋量需满足相关规范最小配筋率及最大配筋率的设计要求，重新进行S6至S8。
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