CN116226997A - 一种计算钢筋混凝土剪力墙的方法和一种新型剪力墙 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种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，该方法考虑了钢筋和混凝土之间相互作用对混凝土中压应力的贡献；基于混凝土承受的平均压应力和所述钢筋和混凝土之间相互作用对混凝土中压应力的贡献值来计算所述剪力墙混凝土中的最大平均压应力；通过所述计算方法，本申请还提供了一种判断剪力墙能承受的最大荷载的方法和一种判断剪力墙的最大配筋率的方法。本申请还公开了一种新型结构的剪力墙，调整了传统剪力墙中钢筋的排布方式，将钢筋平行于混凝土开裂的方向进行排布，并在主钢筋之间添加次级钢筋，两种措施共同作用，减轻混凝土软化现象，提高了钢筋的最大配筋率，提高了剪力墙的破坏强度。

Description

一种计算钢筋混凝土剪力墙的方法和一种新型剪力墙

技术领域

本申请涉及建筑工程领域，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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

本申请要解决的问题是：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。

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(σ_L和σ_T)和剪应力(τ_LT)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α_D。

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F_T和F_L，混凝土中的压应力σ_D即为外部荷载(σ_L，σ_T和τ_LT)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。

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F_L和F_T分别为单根横向和纵向钢筋中的拉力。

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。

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σ_D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。

为了解决上述技术问题，提出了本申请。本申请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。

本申请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σ_D；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σ_D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。

根据本申请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σ_D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。

根据本申请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σ_D可基于以下公式计算得出：

其中σ_R为剪力墙单元垂直于开裂面方向的正应力，σ_D为剪力墙单元平行于开裂面方向的正应力，τ_RD为剪力墙单元平行或垂直于开裂面上的剪应力，σ_L和σ_T分别为剪力墙纵向和横向截面上的平均正应力，τ_LT为剪力墙单元横向和纵向截面上的平均剪应力，α_D为剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角。

根据本申请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。

根据本申请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。

根据本申请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。

根据本申请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。

根据本申请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。

根据本申请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。

根据本申请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：

其中f_Lcr和f_Tcr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，f_L0和f_T0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；S_m为所述混凝土压杆的最小宽度，L_p为所述混凝土压杆中两个横向和纵向钢筋交点间的距离，ρ_L为所述混凝土压杆的纵向配筋率，ρ_T为所述混凝土压杆的横向配筋率，α_D为剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角。

根据本申请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，当纵向和横向钢筋中最小拉应力为0，所述钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大荷载达到上限，基于以下公式计算：

根据本申请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：

S_m＝S_L cosα_D＝S_T sinα_D，

其中S_L和S_T分别为纵向和横向钢筋的间距。

根据本申请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：

其中S_L和S_T分别为纵向和横向钢筋的间距。

根据本申请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基于以下公式计算得出：

钢筋屈服之前，剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角α_D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。

本申请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，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。

在本申请中，外部荷载为正应力和剪应力的组合，本申请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。

本申请还提供了一种判断剪力墙的最大配筋率的方法，其中：

基于以上所述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，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；

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中混凝土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。

本申请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所能承受最大荷载时的最大配筋率，对钢筋混凝土剪力墙的构建有非常重要的指导意义。

本申请还提供了一种新型结构的剪力墙，其中，所述剪力墙由主钢筋、次级钢筋和混凝土浇筑而成，其中：所述主钢筋包括若干第一斜向主钢筋和若干第二斜向主钢筋，所述若干第一斜向主钢筋和/或若干第二斜向主钢筋直径相同，所述第一斜向主钢筋与剪力墙在外部荷载作用下的混凝土开裂方向平行；所述第二斜向主钢筋与所述第一钢筋排布方向水平对称；所述次级钢筋包括若干第一斜向次级钢筋和若干第二斜向次级钢筋，所述第一斜向次级钢筋与所述第一斜向主钢筋平行，所述第二斜向次级钢筋与所述第二斜向主钢筋平行，每个所述次级钢筋均匀设置于所述主钢筋之间；所述次级钢筋直径小于所述主钢筋直径；且次级钢筋的配筋率小于主钢筋配筋率。

根据本申请所述的剪力墙，其中，主钢筋和次级钢筋需要满足如下关系：

ρ_L,次＜ρ_L,主

ρ_T,次＜ρ_T,主

其中ρ_L,次和ρ_T,次分别为第一斜向和第二斜向次级钢筋的配筋率，ρ_L,主和ρ_T,主分别为第一斜向和第二斜向主钢筋的配筋率。

根据本申请所述的剪力墙，其中，所述若干第一斜向主钢筋间距相同，所述若干第二斜向主钢筋间距相同。根据本申请所述的剪力墙，其中，所述若干第一斜向次级钢筋间距相同，所述若干第二斜向次级钢筋间距相同。

在本申请中，即第一斜向和第二斜向两个方向的钢筋间距不强制相等，但在单个方向上间距要求相等。

根据本申请所述的剪力墙，所述次级钢筋直径小于主钢筋的二分之一。

根据本申请所述的剪力墙，所述第一斜向主钢筋与地面夹角优选为45度，所述第二斜向钢筋与地面夹角优选为45度。

本申请所述的新型结构的剪力墙，其中剪力墙的混凝土中最大平均压应力通过前述计算剪力墙的混凝土中最大平均压应力方法计算。

根据本申请所述的新型结构的剪力墙，其中，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相比传统剪力墙大大减小，甚至为0。

根据本申请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。

根据本申请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。

本申请所述的新型剪力墙，调整了传统剪力墙中钢筋的排布方式，将钢筋平行于混凝土开裂(混凝土压杆)的方向进行排布，在此种结构下，钢筋和混凝土之间的粘结应力对开裂混凝土中主压力的贡献大大降低，同时本申请还在主钢筋的间隔之间布置直径较小的次级钢筋纤维，进一步减轻因钢筋和混凝土之间的相互作用导致的剪力墙混凝土内部应力分布不均的程度，从而减少主钢筋和混凝土相互作用对剪力墙中混凝土最大平均压应力的影响，减轻了混凝土软化现象。两种措施共同作用，减轻混凝土软化现象，提高了钢筋的最大配筋率，提高了剪力墙的承载强度。

本申请所述新型结构的剪力墙的受力形式更合理，可以减轻混凝土的软化现象，有利于提高剪力墙的配筋率，提高剪力墙的强度。新型剪力墙具有更高的破坏强度，使建筑结构具有更好的抗震性能，提升了建筑的地震安全性。新型剪力墙中钢筋的布置简单，应用方便。

附图说明

通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1图示了传统剪力墙结构示意图。

图2图示了传统剪力墙局部单元受力情况示意图。

图3图示了传统剪力墙单元开裂后受力情况的传统桁架模型。

图4图示了传统桁架模型的受力情况简化示意图。

图5图示了考虑钢筋和混凝土相互作用的混凝土压杆的受力情况示意图。

图6图示了考虑钢筋和混凝土相互作用的混凝土压杆的受力情况简化示意图。

图7图示了考虑钢筋和混凝土相互作用影响后的混凝土压杆中平均压力分布的示意图。

图8图示了考虑钢筋和混凝土相互作用影响后的混凝土压杆的受力情况。

图9图示了本申请实施例1所述的双向配筋相同的典型剪力墙单元。

图10图示了图9所示结构的剪力墙单元上的平均应力示意图。

图11图示了图9所示结构的剪力墙单元开裂面上的实际应力情况。

图12图示了根据本申请实施例2所述结构的在传统剪力墙基础上添加次级钢筋的新型剪力墙结构示意图。

图13图示了根据本申请添加次级钢筋后的新型剪力墙中混凝土压杆的受力示意图。

图14图示了根据本申请实施例3所述结构的调整钢筋方向后的剪力墙结构示意图。

图15图示了图14所示结构的剪力墙单元上的平均应力示意图。

图16图示了图14所示结构的剪力墙单元开裂面上的实际应力情况。

图17图示了图14所述新型剪力墙和传统剪力墙在纯剪力作用下的最大破坏强度和对应的配筋率之间的关系

图18A和图18B图示了本申请所述新型结构的剪力墙示意图

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的具体实施例。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

在传统桁架模型中通常认为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。申请人发现，事实上钢筋和混凝土之间的相互作用(粘结应力)是一种分布荷载(如图5所示)，图5图示了考虑钢筋和混凝土作用的混凝土压杆的受力情况示意图，钢筋和混凝土之间的粘结应力作用于混凝土，影响混凝土内部应力的分布，导致混凝土内部应力分布不均。由于应力分布不均，因此必然有局部的压应力大于平均压应力，从平均应力的角度上看就表现为混凝土破坏强度的降低。

图5中的混凝土受力情况简化后的示意图如图6所示。从图中可以看出，横向和纵向钢筋对混凝土的作用力分别为V_L和V_T，二者均对混凝土压杆中的压力有贡献。图6即为适用于剪力墙结构的考虑粘结应力影响的桁架模型。

考虑钢筋和混凝土之间的相互作用(粘结应力)的影响后，混凝土压杆中平均压应力的分布示意图如图7所示。从图中可以看出，在纵向钢筋和横向钢筋交点处所在的混凝土压杆横截面上，混凝土的平均压应力是最小的；截面中的平均压应力随着与节点之间距离的增加而增加。

图5和图6展示了新提出的考虑钢筋和混凝土之间的相互作用(粘结应力)的影响后的分析剪力墙单元破坏强度的桁架模型的最基本特性。新提出的桁架模型和传统桁架模型最大的区别就是新桁架模型中考虑了钢筋和混凝土之间的相互作用对混凝土内力的影响，认为钢筋和混凝土的相互作用会对混凝土中的应力分布产生影响，对混凝土中的压力有贡献。

按照新提出的桁架模型，申请人对图5中的混凝土压杆的受力情况进行了分析，图8图示了混凝土压杆的受力情况。从图中可以看到，在混凝土压杆中，除了外部荷载形成的压力之外，钢筋和混凝土之间的相互作用力即粘结应力也会对混凝土中的压力产生额外的贡献。

图8中A_L和A_T分别为单根纵向和横向钢筋的面积，则其可由以下公式计算得出：

通过图8所示的受力分析，可以计算出新提出的桁架模型中，在考虑了粘结应力作用后，混凝土压杆中的最大平均应力为

其计算公式为：

其中f_Lcr和f_Tcr分别为图5中在开裂面处纵向和横向钢筋的拉应力，也是钢筋中的最大拉应力；f_L0和f_T0分别为图5中嵌入混凝土中纵向和横向钢筋中点的拉应力，也为钢筋中的最小拉应力；S_m为图5中混凝土压杆的最小宽度；L_p为图5中两个横向和纵向钢筋交点之间的距离，可由纵向和横向钢筋间距及开裂角计算得出。

若嵌入混凝土中纵向和横向钢筋中点的拉应力为0，则钢筋中的拉力全部传导到混凝土中，混凝土中的最大压应力达到上限，公式(2)变为：

由于假设钢筋中的拉力全部传导到混凝土中是钢筋和混凝土相互作用的上限情况，这种假设使得计算的混凝土压力可能达到的上限，因此这是一种偏保守的假设，可保证设计安全。

公式(3)的右边包含两项：不考虑粘结应力影响的平均压应力σ_D，以及粘结应力对混凝土中压应力的贡献-(ρ_Lf_Lcr+ρ_Tf_Tcr)L_psinα_Dcosα_D/S_m。从公式三中可以看出，相比传统的桁架模型中认为的混凝土压力σ_D，混凝土中的实际压力更大。

根据计算显示，粘结应力对混凝土中压应力的贡献值远大于混凝土中的平均压应力σ_D。这是研究中取得的最重要的认识，研究结果显示粘结应力对混凝土中应力分布的影响可能是出现混凝土软化现象的重要原因，这就解释了钢筋混凝土剪力墙构件出现混凝土软化的原因。

公式(1)给出了混凝土中最大压应力的计算公式，其中一些参数是未知的。最小裂缝宽度

S_m＝S_Lcosα_D＝S_Tsinα_D (4)

根据图8可以计算出L_p的长度为

其中，S_L和S_T分别为纵向和横向钢筋的间距。其它的参数例如α_D，f_Lcr和f_Tcr的计算将在后续中针对具体情况说明。

实施例1

本实施例示出了通过新提出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、计算剪力墙所能承受的最大荷载的方法，以及计算剪力墙的最大配筋率的方法计算如图9所示结构的剪力墙最大配筋率的实施方式。

如图9所示一个横向和纵向配筋相同，并且水平和垂直截面受到纯剪力τ_LT作用的剪力墙单元。开裂面上的平均应力和实际受力的示意图如图10和11所示。

图10示出了如图9所示结构的剪力墙单元上的平均应力分析。根据外部荷载和剪力墙中钢筋布置的对称性可知，裂缝的开裂角度为45度，在平行和垂直于裂缝的截面上，剪应力为0，只存在正应力σ_R和σ_D。图11示出了图9所示结构的剪力墙单元开裂面上的实际的应力情况。在实际受力中，裂缝所在的截面上所有的力都靠钢筋来传递。

在开裂面上可以建立拉力和剪力的平衡方程：

由于单元中钢筋的分布对称，且外部施加荷载的主拉应力和主压应力方向分别垂直和平行于裂缝，因此单元中的开裂角与垂直方向的夹角(α_D)也是45度。根据摩尔应力圆可知，主拉应力(σ_R)和主压应力(σ_D)方向为x-y轴逆时针旋转45度角，且

σ_R＝-σ_D＝τ_LT (7)

于是方程组求解并得到钢筋中的拉力。

根据计算，钢筋中的拉应力分别为

于是根据公式3可以计算处混凝土中的最大压应力

当τ_LT达到单元的破坏强度τ_u时，钢筋屈服或者混凝土中的主压应力

达到其单轴抗压强度f_c'，单元发生破坏。因此

其中f_Ly为纵向钢筋的屈服强度，f_Ty为横向钢筋的屈服强度。公式10即为本申请实施例1所述结构的剪力墙单元的抗剪强度计算公式。

在本申请中，最大荷载即剪力墙破坏时对应的荷载，也叫破坏强度。而荷载的形式包括多种，比如纯剪力、正应力和剪应力的组合。一般我们称受到纯剪力作用下的破坏强度为抗剪强度，抗剪强度也是剪力墙能承受的剪力的最大值。

当钢筋的配筋率较低时，钢筋先达到屈服状态；随着钢筋配筋率的提高，单元的抗剪强度提高；当ρ_Lyf_Ly＝ρ_Tyf_Ty＝f_c'/3时达到最大配筋率，单元的强度达到最大，且破坏模式由钢筋屈服转变为混凝土的压溃；继续提高钢筋的配筋率不会提高单元的强度，但破坏模式变为混凝土的压溃。因此，在混凝土强度不变的时候，配筋率达到上限时满足条件

在实施例1中，申请人应用本申请所述的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，计算了图9所示结构的剪力墙所能承受的最大剪力，以及剪力墙的最大配筋率。本领域技术人员，可以根据本申请所述方法，对其他结构的剪力墙进行类似的分析计算。

实施例2

由于发现了钢筋和混凝土之间的相互作用对单元的破坏有着重要的影响，特别是会严重影响钢筋的最大配筋率以及对应的最大抗剪强度，于是通过在主钢筋的间隙中加入次级钢筋的方法，来缓解钢筋和混凝土相互作用造成的应力分布不均匀。

本实施例通过在传统剪力墙的中加入次级钢筋，从而减轻因钢筋和混凝土之间的相互作用导致的剪力墙混凝土内部应力分布不均的程度，减轻混凝土软化现象，进而提高剪力墙的最大配筋率以及破坏强度。本实施例2示出了剪力墙中的一种具体实施方式。

本实施例所述新型剪力墙在实施例1所示传统剪力墙的基础上进行了改进，如图12所示，本实施例所述剪力墙主钢筋仍然采用和实施1所述的传统钢筋混凝土剪力墙的结构，分别为横向(水平方向)、纵向(垂直方向)均匀排布，主钢筋间横纵间距均相同。但本实施例在主钢筋间增加排布有若干次级钢筋，次级钢筋也采用横向和纵向均匀排布，其中次级钢筋的直径小于主钢筋，且次级钢筋的配筋率小于主钢筋。所述剪力墙可以采用双层钢筋结构，即如图12所示在剪力墙厚度方向上，可叠加布设双层主钢筋和次级钢筋。

参考图5和图6中混凝土压杆受力情况，可知在混凝土单元受力开裂之后，主钢筋、次级钢筋和混凝土之间的作用如图13所示，其中V_L和V_T为主钢筋对混凝土的作用力，V_L'和V_T'为次级钢筋对混凝土的作用力。次级钢筋会分担一部分主钢筋的拉力，同时扰动混凝土压杆内部的压应力。

图13中可以看出，次级钢筋纤维的加入虽然会影响内力的分布，但最大压应力还是由主钢筋中的拉力决定。将开裂面上纵向和横向主钢筋的配筋率分别为ρ_L,主和ρ_T,主，开裂面上纵向和横向次级钢筋的配筋率记为ρ_L,次和ρ_T,次，

其中，n_L,次和n_T,次分别为2根纵向主钢筋和2根横向主钢筋之间次级钢筋的数量，d_L,次和d_T,次分别为纵向和横向次级钢筋的直径，d为剪力墙的厚度。

令次级钢筋和主钢筋具有相同的材料特性，即相同的弹性模量和屈服强度，基于公式3可以得到新型剪力墙开裂之后混凝土中最大压应力的表达式为

根据公式13可知，在主钢筋的配筋相同的条件下，传统剪力墙和新型剪力墙单元达到破坏强度时，两种剪力墙中主钢筋的拉应力相同。同时，由于新型剪力墙中添加的次级钢筋承担了部分拉力，因此在荷载相同的条件下，新型剪力墙结构中的主钢筋拉应力较小。根据受力分析的示意图13可知，次级钢筋会扰动混凝土内部压应力，但是最大平均压应力由主钢筋的拉力决定。因此，在达到传统剪力墙的最大配筋率后，新型剪力墙结构可以继续配置更多的钢筋，同时提高抗剪强度。

对于双向钢筋布置相同且受到纯剪力作用的情况，在开裂面上可建立类似公式6的平衡方程：

根据对称性可知α_D为45度。由于主钢筋和次级钢筋应变相同，因此拉应力相同。参考公式11可知新型剪力墙的荷载达到最大时

此时对应的单元剪力荷载

τ_u＝σ_R＝(ρ_L,主+ρ_L,次)f_Lcr＝(ρ_L,主+ρ_L,次)f_Tcr (16)

将公式15代入公式16可得

对比公式10可知新型剪力墙最大破坏强度提高的比例为ρ_L,次/ρ_L,主。

对比例：

以下对比例以一个横向和纵向钢筋配置相同的剪力墙为例来说明本申请提出的加入了次级钢筋剪力墙在配筋和强度两个方面相对于传统剪力墙的性能提高。

假定一种传统结构的钢筋混凝土剪力墙，其结构如图9所示，剪力墙的厚度为160mm，主钢筋采用垂直于地面方向和平行于地面两个方向均匀排布，主钢筋直径为14mm，间距为113mm，采用双层钢筋布置。钢筋的屈服强度为400MPa，混凝土的抗压强度为20MPa。钢筋的配筋率为1.67％，该剪力墙满足公式10。

因此，此时的配筋率为传统剪力墙的最大配筋率，根据公式8可知单元能承载的最大剪力为6.67MPa。按照传统剪力墙的布置方法，继续增大钢筋的含量也无法提高剪力墙的抗剪强度了，最大抗剪强度还是6.67MPa。

按照本申请的方法，在主钢筋中加入次级的钢筋纤维，在外部荷载相同的条件下，可以分担主钢筋的拉力，减轻钢筋和混凝土相互作用造成的混凝土内部应力分布不均匀性。

新的剪力墙结构如图12所示，在图9的基础上增加2层钢筋纤维网，具体在每层主钢筋中间加入2根直径4.4mm的次级钢筋，间距为37.6mm。新的剪力墙的水平和垂直方向的配筋率分别比原结构提高了20％，达到2.04％。

根据公式16可知新型剪力墙的破坏强度为

τ_u＝(1+20％)ρ_Lf_Ly＝(1+20％)ρ_Tf_Ty＝0.4f_c'＝8.00MPa (18)

因此，在加入20％的次级钢筋纤维后新型剪力墙的破坏强度提高了20％，而传统剪力墙由于达到了最大配筋率而无法提高。二者结果的区别见表1。

表1.新型剪力墙和传统剪力墙的不同配筋率下的破坏强度对比

从表格中的结果可以看出，新型剪力墙通过加入次级钢筋的方法可以在原剪力墙结构基础上提高剪力墙的最大配筋率，从而提高剪力墙所能承受的最大破坏强度。

实施例3

本实施例示出了根据本申请所述剪力墙的研究发现后，调整了传统剪力墙钢筋布设方向后的剪力墙的抗剪强度。

由图5和6可知，如果改变钢筋的方向，使得钢筋平行于混凝土压杆，那么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降低，这样就可以减轻甚至消除混凝土的软化，提高钢筋混凝土剪力墙的破坏强度。

调整钢筋布设方向的剪力墙单元的结构示意图如图14所示。

本实施例所述新型剪力墙结构的示意图如图14所示，剪力墙中的钢筋采用斜向交叉布设，在本实施例中，第一斜向钢筋与混凝土开裂方向平行，与地面夹角为45度，第二斜向钢筋与混凝土开裂方向垂直，与地面夹角为45度，第一斜向钢筋与第二斜向钢筋垂直，且第一斜向钢筋和第二斜向钢筋的间距均相等。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值为0，所述剪力墙可以采用双层钢筋结构，即如图14所示在剪力墙厚度方向上，可叠加布设双层钢筋。

在本实施例所述剪力墙单元中纵向和横向钢筋的布置相同，当单元受到纯剪力作用后，开裂面上的平均应力和实际钢筋受力情况如图15和16所示。根据摩尔应力圆可知单元荷载的主拉应力方向为45度，和纵向钢筋方向相同。因此混凝土中的主压应力为

σ_D＝-τ_xy (19)

其中τ_xy为剪力墙在水平和垂直方向受到的剪力作用。

于是可以建立钢筋拉力和所施加剪力之间的关系

ρ_Lf_Lcr＝τ_xy (20)

此时横向钢筋处于受压状态。由于受拉钢筋和混凝土压杆垂直，如果不考虑横向钢筋对混凝土抗压能力的贡献，那么受拉钢筋和混凝土之间的相互作用(粘结应力)对混凝土中压应力的直接贡献为0。因此混凝土中的最大压应力和平均压应力相等，即

当混凝土中的最大压力

达到混凝土的单轴抗压强度f_c'的时候，单元发生破坏。根据公式21可知，单元发生破坏时的剪力

τ_u＝f_c' (22)

和公式10进行比较可以发现，新型剪力墙单元的最大强度是传统剪力墙单元最大强度的3倍。

表2.不同配筋率的新型剪力墙与传统剪力墙在纯剪力作用下的破坏强度

表2分别给出了不同配筋率的本实施例新型剪力墙和传统剪力墙在纯剪力作用下的最大破坏强度，图17给出了两种剪力墙在纯剪力作用下的最大破坏强度和配筋率之间关系的示意图。可以看出新型剪力墙结构的最大配筋率时传统剪力墙的3倍，最大破坏强度也是传统剪力墙的3倍。

实施例4

本实施例示出了本申请所述的新型结构剪力墙的一种实施方式示意图。

本实施例为结合了实施例2和实施例3的优点设计出的新型结构的剪力墙，如图18A和图18B所示。

综合以上两种方式，本实施例所述新型剪力墙结构的示意图如图14所示，剪力墙中的钢筋采用斜向交叉布设，钢筋包括主钢筋和次级钢筋。在本实施例中，第一斜向主钢筋与混凝土开裂面平行，与地面夹角为45度，第二斜向主钢筋与混凝土开裂面垂直，与地面夹角为45度，第一斜向主钢筋与第二斜向主钢筋垂直，且第一斜向主钢筋和第二斜向主钢筋的间距均相等。在第一斜向主钢筋之间，均匀平行布设有第一斜向次级钢筋，在第二斜向主钢筋之间，均匀平行布设有第二斜向次级钢筋，所述次级钢筋之间的间距也相等。所述剪力墙可以采用双层钢筋结构，即如图18B所示在剪力墙厚度方向上，可叠加布设双层主钢筋和次级钢筋。

在此种结构下，首先通过改变钢筋的布置方向，改进了剪力墙内部材料受力的合理性，提高了剪力墙的最大配筋率及对应的破坏强度；其次，通过加入次级钢筋，使钢筋材料在剪力墙中的分布更加均匀，缓解了因为粘结应力导致的混凝土内部应力分布不均的程度，降低应力集中，有助于剪力墙破坏强度的提高。

需要注意的是，本实施例4所述的新型剪力墙中，第一斜向主钢筋和地面夹角为45度，这仅仅是本申请所述剪力墙的一种实施方式，而并非对本申请所述新型结构剪力墙的限定。一些其他的实施方式中，第一斜向钢筋和第二斜向钢筋角度斜向布设且方向对称排布，但和地面夹角均不等于45度时，这种结构同样可以大大减少粘结应力对混凝土中的压力贡献值，在此基础上加入斜向布设的次级钢筋，可以增加剪力墙的配筋率，使得剪力墙的破坏强度得到进一步提升。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (23)

1.一种计算钢筋混凝土剪力墙的混凝土中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(σ_L和σ_T)和剪应力(τ_LT)；

基于所述外部荷载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主压应力σ_D；

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；

基于所述平均主压应力σ_D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混凝土中的最大平均压应力。

2.根据权利要求1所述方法，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主压应力σ_D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。

3.根据权利要求2所述方法，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主压应力σ_D可基于以下公式计算得出：

其中σ_R为剪力墙单元垂直于开裂方向的正应力，σ_D为剪力墙单元平行于开裂方向的正应力，τ_RD为剪力墙单元平行或垂直于开裂面上的剪应力，σ_L和σ_T分别为二维平面内的正应力中的剪力墙纵向和横向截面上的平均正应力，剪应力τ_LT为剪力墙单元横向和纵向截面上的平均剪应力，α_D为剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角，也称为开裂角。

4.根据权利要求1所述方法，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。

5.根据权利要求4所述方法，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。

6.根据权利要求5所述方法，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。

7.根据权利要求6所述方法，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。

8.根据权利要求5所述方法，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。

9.根据权利要求5所述方法，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。

10.根据权利要求4-9任一项所述方法，其中，所述钢筋混凝土剪力墙中混凝土的最大平均压应力基于以下公式计算：

其中f_Lcr和f_Tcr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，f_L0和f_T0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；S_m为所述混凝土压杆的最小宽度，L_p为所述混凝土压杆中两个横向和纵向钢筋交点间的距离，ρ_L为所述混凝土压杆的纵向配筋率，ρ_T为所述混凝土压杆的横向配筋率，α_D为剪力墙裂缝和垂直方向之间的夹角，也称为开裂角。

11.根据权利要求10所述方法，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的上限值基于以下公式计算：

所述上限值是假定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中混凝土中的最大平均压应力的最大值。

12.根据权利要求10所述方法，其中，所述为所述混凝土压杆最小宽度基于以下公式计算：

S_m＝S_Lcosα_D＝S_Tsinα_D，

其中S_L和S_T分别为纵向和横向钢筋的间距。

13.根据权利要求10所述方法，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：

其中S_L和S_T分别为纵向和横向钢筋的间距。

14.根据权利要求10所述方法，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：

15.一种计算剪力墙能承受的最大荷载的方法，其中：

基于权利要求1-14任一项所述方法，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的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拉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。

16.一种计算剪力墙的最大配筋率的方法，其中：

基于权利要求15所述方法；

输入剪力墙横向钢筋和/或纵向钢筋的配筋率，计算剪力墙能承受的最大荷载；

调整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。

17.一种新型结构的剪力墙，其中，所述剪力墙由主钢筋、次级钢筋和混凝土浇筑而成，其中：

所述主钢筋包括若干第一斜向主钢筋和若干第二斜向主钢筋，所述若干第一斜向主钢筋和/或若干第二斜向主钢筋直径相同，

所述第一斜向主钢筋与剪力墙在外部荷载作用下的混凝土开裂方向平行；所述第二斜向主钢筋与所述第一斜向钢筋排布方向水平对称；

所述次级钢筋包括若干第一斜向次级钢筋和若干第二斜向次级钢筋，所述第一斜向次级钢筋与所述第一斜向主钢筋平行，所述第二斜向次级钢筋与所述第二斜向主钢筋平行，每个所述次级钢筋均匀设置于所述主钢筋之间；

所述次级钢筋直径小于所述主钢筋直径；且次级钢筋的配筋率小于主钢筋配筋率。

18.根据权利要求17所述的剪力墙，其中，主钢筋和次级钢筋需要满足如下关系：

ρ_L,次＜ρ_L,主

ρ_T,次＜ρ_T,主

其中ρ_L,次和ρ_T,次分别为第一斜向和第二斜向次级钢筋的配筋率，ρ_L,主和ρ_T,主分别为第一斜向和第二斜向主钢筋的配筋率。

19.根据权利要求18所述的剪力墙，其中，所述若干第一斜向主钢筋间距相同，所述若干第二斜向主钢筋间距相同。

20.根据权利要求18所述的剪力墙，其中，所述若干第一斜向次级钢筋间距相同，所述若干第二斜向次级钢筋间距相同。

21.根据权利要求17-20任一项所述的剪力墙，其中，钢筋混凝土剪力墙的混凝土中最大平均压应力通过权利要求1-14任一项所述方法计算。

22.根据权利要求17-20任一项所述的剪力墙，其中，所述剪力墙能承受的最大荷载通过权利要求15所述方法计算。

23.根据权利要求17-20任一项所述的剪力墙，其中，所述剪力墙的最大配筋率通过权利要求16所述方法计算。

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