用于验证砌体剪力墙抗力极限状态条件的简化方法

《Engineering Structures》：Simplified method for verifying ultimate limit state conditions of resistance for masonry shear walls

砌体剪力墙简化抗剪验算方法研究提出基于欧洲规范的新型系数校正体系，融合恒载比α与设计荷载比χ动态关系，通过理论推导和材料参数（MU4MPa，M2.5MPa）校准，实现与prEN 1996–1–1的强度准则衔接，适用于α>0.3且χ>0.5的高层建筑剪力墙设计。

　　

Rados?aw Jasiński

波兰西里西亚工业大学

摘要

prEN 1996–3草案中提出的简化方法是一种全面的程序，用于验证砌体剪力墙的抵抗力，包括荷载分布和极限承载能力（ULS）的验证。该方法的起源表明，所有列出的系数都是根据德国标准中应用的标准制定的。然而，现有文献并未提供与当前欧洲设计框架完全一致的替代简化方法。这种分析方法的缺乏促使了本研究的开展。本文发展了该方法的理论基础，并提出了一种原创的分析公式，该公式结合了prEN 1996–1–1草案中的强度标准、EN 1990中定义的荷载组合以及当代欧洲墙体结构设计规范。推导出了系数 c_t、相对永久荷载比 α 和设计荷载比 χ 之间的明确关系，为表格中的参数提供了透明的力学解释。通过对系数 c_t 进行系统校准，考虑了墙体的细长比和代表性材料属性（砌体单元强度 f_b = 4?N/mm²，砂浆强度 f_m = 2.5?N/mm²），并使用了部分安全系数 γ_M =?2.0 和 γ_M =?2.5，以确保与极限承载状态设计原则的一致性。最终得到的面向设计的相关系数以表格形式呈现，便于实际应用。本研究的重要创新之处在于，它根据prEN 1996–1–1的要求调整了强度标准，并扩展了其在相对荷载参数（α 和 χ）方面的适用范围。比较分析表明，对于荷载比 χ >?0.5 的情况，所提出的方法比prEN 1996–3中规定的方法提供了更为保守的抵抗力估计。因此，该方法引入了一种合理、基于分析且有实际应用价值的设计方法，填补了砌体剪力墙简化计算方法中的空白。建议在 α >?0.3 且 χ >?0.5 的工程实践中使用该方法。

引言

砌体剪力墙的设计被认为是与砌体结构相关的最困难任务之一。这主要是由于墙体上的荷载分布问题 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，以及适用适当的剪力墙计算模型问题 [7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]，这些模型需要基于可靠的强度标准 [13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。现行欧洲规范EN 1996–1–1（EC-6）[21] 提出了关于剪力墙外部荷载分布的一般建议，以验证极限承载状态（ULS）的条件。然而，没有详细的计算程序。因此，可以应用论文 [6]、[22]、[23]、[24]、[25] 或标准 [26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32] 中描述的经过验证且可接受的计算方法，或者数值方法。这种方法适用于具有复杂剪力墙和开口的多层建筑。对于“小型砌体建筑”，使用劳动密集型的分析和数值方法是不合理的。现行规范中唯一完整的方法是欧洲规范EN 1996–3（EC-6–3）[33] 中规定的未加固砌体墙的简化方法，因此在典型砌体建筑的设计实践中非常常用。

prEN 1996–1–1草案（prEC-6）[34] 并未对剪力墙的分析方法进行任何修改，但欧洲规范prEN 1996–3（prEC-6–3）[35] 中关于简化方法的规定进行了重大修改。这些修改包括：几何和统计条件的调整，取消了砌体类型（墙体的特征抗压强度 f_k）的考虑，以及系数 c_t 值的变更。此外，还考虑了墙体形状（高度/长度比 h/l）的影响。鉴于这些重大变更，作者分析了prEC-6–3标准的制定依据，并引入了一些符合prEN 1996–1–1 [34] 的修改。本研究的主要目的是为所采用的简化方法建立严格的理论基础，并使其与当前的欧洲设计规范和实际工程要求保持一致。该工作的关键创新在于提出了修订后的系数 c_t 值，这些值不仅考虑了相对永久荷载，还考虑了相对设计荷载。这一扩展为ULS验证提供了更为全面和力学上一致的基础。鉴于缺乏与当前欧洲标准完全一致的分析程序，所提出的方法解决了砌体剪力墙ULS条件验证方面的重大空白。通过明确采用prEN 1996–1–1草案中定义的强度标准，该方法确保了与极限承载状态设计理念的完全兼容性，因此可以被视为对prEN 1996–3草案中描述方法的合理且技术上合理的替代方案。由于其分析透明性和实际适用性，该方法特别适用于 α >?0.3 且 χ >?0.5 的工程实践情况。

标准要求

欧洲规范（EC-6–3）[33] 首次引入了用于设计剪力墙的简化方法。规定了一系列使用简化方法的条件：

• •
  建筑高度 h_m =?12 – 20?m，由屋顶结构和建筑类别决定，
• •
  楼层和屋顶的跨度 ≤?7.0?m，轻质桁架结构屋顶的跨度 ≤?14.0?m 除外，
• •
  净层高 ≤?3.2?m，特定建筑除外

简化方法的起源

prEN-1996–3 [35] 中描述的剪力墙简化模型借鉴了Graubner和Müller [36]、[37] 以及Graubner和Schmidt [38] 的论文。作者 [38] 做出了以下假设：

• •
  特征变量荷载与特征恒定荷载的比为 q_k/g_k =?0.5，
• •
  作用在墙体上的极端设计作用力是根据标准 [39] 的方程式6.10和6.10b确定的，
• •
  剪力墙的失效标准如下

与欧洲规范6兼容的简化方法

标准要求

用于设计剪力墙的简化方法首次在欧洲规范（EC-6–3）[33] 中被引入。规定了一系列使用简化方法的条件：

• •
  建筑高度 h_m =?12 – 20?m，由屋顶结构和建筑类别决定，
• •
  楼层和屋顶的跨度 ≤?7.0?m，轻质桁架结构屋顶的跨度 ≤?14.0?m 除外，
• •
  净层高 ≤?3.2?m，特定建筑除外

简化方法的起源

prEN-1996–3 [35] 中描述的剪力墙简化模型借鉴了Graubner和Müller [36]、[37] 以及Graubner和Schmidt [38] 的论文。作者 [38] 做出了以下假设：

• •
  特征变量荷载与特征恒定荷载的比为 q_k/g_k =?0.5，
• •
  作用在墙体上的极端设计作用力是根据标准 [39] 的方程式6.10和6.10b确定的，
• •
  剪力墙的失效标准如下

与欧洲规范6兼容的简化方法

结论

prEC-6–3 [35] 中提出的用于验证剪力墙的简化方法是基于德国规范 [43] 中的强度标准开发的，这些标准在某些情况下与prEC-6 [34] 的规定相似。按照论文 [36]、[37]、[38] 中描述的程序，使用欧洲的荷载组合和材料及结构解决方案，对新的系数 c_t 值进行了校准。这些值不仅取决于墙体的细长比，还取决于其他因素。

CRediT作者贡献声明

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