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第九讲 钢筋混凝土抗震墙设计
钱稼茹
抗震墙广泛用于多层和高层钢筋混凝土房屋，2001规范规定的7种现浇钢筋混凝土房屋结构类型中，除框架结构外，其余6种结构体系都有抗震墙或抗震墙组成的筒体。抗震墙之所以是主要的抗震结构构件，是因为：抗震墙的刚度大，容易满足小震作用下结构尤其是高层建筑结构的位移限值；地震作用下抗震墙的变形小，破坏程度低；可以设计成延性抗震墙，大震时通过连梁和墙肢底部塑性鉸范围的塑性变形，耗散地震能量；与其它结构（如框架）同时使用时，抗震墙吸收大部份地震作用，降低其它结构构件的抗震要求。设防烈度较高地区（8度及以上）的高层建筑采用抗震墙，其优点更为突出。
抗震墙由墙肢和连梁两种构件组成。设计抗震墙应遵循强墙弱梁、强剪弱弯的原则，即连梁屈服先于墙肢屈服，连梁和墙肢应为弯曲屈服。
与89规范相比，2001规范在抗震墙的设计方面、特别是在抗震构造措施方面有比较大的变化，主要有：1）底部加强部位的高度；2）墙肢截面组合的弯矩、剪力设计值和连梁组合的剪力设计值；3）分布钢筋的最小配筋率；4）增加了抗震墙的轴压比限值；5）将边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，两种边缘构件的构造不同，加强了应该加强的部位，放松了可以放松的部位，使抗震墙具有更合理的抗震性能。抗震墙轴压比限值和边缘构件方面的规定，主要是吸取了基于位移的设计方法和近年来的研究成果。2001规范取消了89规范中“弱连梁”和“小墙肢”这两个术语，代之以连梁的跨高比和墙肢的长度和厚度的比值。虽然89规范对弱连梁联肢墙作了规定，但在设计中难以确定什么是弱连梁。
一、 抗震墙基于位移设计方法简介
自七十年代抗震墙成为房屋建筑的主要抗侧力构件以来，抗震墙的试件采用的是基于承载力的方法。九十年代初，美国加州工程师协会（SEAOC）提出了一种抗震墙设计新方法：基于位移的设计方法。1994年美国统一建筑法规（UBC-94）采用了这一方法；UBC-97精品文档
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对这一方法作了改进；随后，1999年的美国混凝土建筑结构规范（ACI318-99）和2000年的国际建筑法规（IBC-2000）也采用了基于位移的方法设计抗震墙。ACI318-99的设计步骤比UBC-97简单些，除了高轴压比的情况外，两者的结果基本相同；IBC-2000的设计步骤与ACI318-99基本相同。与基于承载力的设计方法（如UBC－91）相比，新的设计方法放松了大部份抗震墙的构造要求。
抗震墙基于位移的设计方法的提出，始于对1985年智利地震抗震墙房屋结构震害的分析研究。智利地震中，300多幢有抗震墙的房屋建筑破坏，除了强地面运动的持续时间比较长以外，主要原因是边缘构件的构造弱、配箍少、对混凝土没有约束。分析结果还表明，有的抗震墙破坏轻微，主要是因为结构体系的刚度大、变形小。随后，进一步的研究工作集中在建立抗震墙的基于位移的设计方法。
抗震墙基于位移的设计为：以抗震墙顶点最大弹塑性位移为目标位移，根据弹性和非弹性变形沿墙高度的近似分布，建立顶点位移和墙底截面曲率的关系；由墙底截面的曲率和受压区高度，得到混凝土最外缘纤维的压应变；根据约束混凝土的应力—应变关系，确定需要配置箍筋的边缘构件的长度和配箍量。抗震墙实施基于位移设计的关键之一，是计算顶点弹塑性位移，即地震中抗震墙顶点可能达到的最大弹塑性位移。 UBC-97的抗震墙基于位移的设计用于3区和4区，其步骤如下：
1） 计算顶点最大弹塑性位移ΔM
ΔM=0.7RΔS （6.4－1）
最大弹塑性位移ΔM为设计地面运动作用下抗震墙的顶点位移。设计地面运动是指50年内超越概率为10％的地震地面运动，与我国的中震相当，美国3、4区的地面运动的峰值加速度分别为0.3g和0.4g。
ΔS为设计位移，即结构在设计地震力作用下的弹性顶点位移，采用静力弹性方法或反应谱振型分解法计算。计算中，考虑P—Δ效应；考虑混凝土开裂，截面的弯曲刚度和剪切刚度不超过其弹性刚度的1/2。
R为考虑抗侧力结构承载力超强和结构整体延性的一个系数。
用弹性方法计算抗震墙的弹塑性顶点位移，是基于所谓“等位移原理”。大量计算分析表明，基本周期不短于0.5s的“长周期”结构，其弹塑性顶点最大位移反应与其弹性顶点位移反应接近，可以用弹性方法计算其弹塑性顶点位移；基本周期低于0.5s的“短周期”结构，其弹塑性顶点最大位移反应与结构的承载力有关，大于弹性顶点最大位移精品文档
精品文档 反应。
若计算弹性顶点位移时不考虑截面开裂，则弹塑性顶点位移可以取2ΔM；ΔM也可以用非线性时程分析得到。
2） 计算抗震墙屈服时的顶点位移Δy
UBC-97规定，Δy为抗震墙受拉纵筋屈服时的顶点位移，可以用下式计算：
Δy= (M’n/ME ) ΔE （6.3－2）
式中，M’n为恒载、活载和地震作用效应（荷载分项系数分别为1.2、0.5和1.0）组合的轴力作用下抗震墙底部截面的受弯承载力；ΔE为设计地震作用下不考虑截面开裂抗震墙弹性顶点位移；ME为顶点位移为ΔE时墙底截面的弯矩。 3）计算抗震墙顶点位移为ΔM时墙底截面的曲率φt
抗震墙在水平力作用下的弹塑性顶点位移由屈服位移和非弹性位移组成，即：
ΔM=Δy+Δi （6.3－3）
抗震墙顶点位移为ΔM时，墙底截面的总曲率为φt，φt为屈服曲率φy和非弹性曲率φ之和，即：
φt=φy+φI （6.3－4） UBC-97用下式计算墙肢的屈服曲率φy：
φy=0.003/ lw （6.3－5） Δi与墙底截面曲率φi的近似关系为：
Δi=φi lp(hw- lp/2) （6.3－6）
因此，φt为：
φt=φy+Δi/[ lp(hw- lp/2) ] （6.3－7）
式中，hw为抗震墙的高度；lp为抗震墙塑性鉸沿墙高度的长度。lp的取值对墙底截面的总曲率φt影响很大。lp愈大，则φt愈小，抗震墙可能不安全。因此，lp的长度取小一些，是偏于安全的。UBC-97取lp为抗震墙墙肢截面长度lw的1/2，即lp=0.5 lw。 4）计算抗震墙底部截面的曲率为φt时截面受压区高度cu’
可以通过计算截面的弯矩－曲率关系得到，也可以近似取截面达到受弯承载力M’n时的受压区高度。计算中，轴力取组合的设计值，计入包括端部纵筋和分布纵筋在内的所有纵筋，并假设受拉区纵筋全部受拉屈服、受压区纵筋全部受压屈服。 5）计算底部截面混凝土最大压应变ε精品文档
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(整理)09抗震墙设计.
