三、剪力墙系统
（一）背景
1、背景
刚性墙剪力墙是设计提供侧向强度和刚度的。侧向强度是需要抵抗由于风和地震力产生的水平荷载。正取的设计和建造剪力墙，把水平力转移到它们下面紧邻的荷载路径要素上，例如其它剪力墙、楼面或基础。
侧向刚度是需要防止楼面和屋面过度侧移。当剪力墙刚度足够时，他们将防止楼面和屋面骨架构件脱离它们的支撑。另外，带有足够侧向刚度的建筑物非结构损坏会少一些，进而避免了由于开裂和水渗漏带来的长期恶化。
刚性墙是按照设计师的性能规格制造交付的。刚性墙里选择的每个部件都满足或超出强度和刚度要求。钢材网络已经通过一些列的部件和足尺墙组件试验，运用最先进的技术来衡量性能，优化了刚性墙的设计和预制。建议采用www.steelnetwork.com上简单的连接，防止滑移和抬起。
刚性墙的设计是把荷载从施加荷载的点向地基或其他终点转移。
2、规划剪力墙——一步一步设计程序
开发有效的剪力墙布局，需要考虑的几个因素：
◆ 剪力墙的宽度应该是相等的，并且在一座建筑的所有四个外墙上都是对称的。
◆ 当外墙不能提供足够的刚度和强度时，要提供内部剪力墙。
◆ 当超出允许的楼面或屋面横隔层跨宽比时，要提供内部剪力墙。
◆ 从地基到屋顶横隔层垂直对齐剪力墙，并且当无法对齐时，要加固面积来转移荷载。
◆ 剪力墙的长度显著的影响着允许的抬起荷载数量，为了有效，需要加大宽度。
3、刚性墙设计
有二种刚性墙系统；预先组装了板的刚性墙SW-R，利用在墙体空腔里的高强度螺杆来抵抗剪力，以及现场建造的刚性墙SW-S，利用在墙二侧的轻规格钢材拉带来抵抗剪力。为了长期耐久，刚性墙提供品质优等的高屈服强度ASTM A653钢材和G-60热浸镀锌覆盖。在刚性墙抗剪数值里没有考虑覆盖物的刚度影响。
4、刚性墙的好处，增加的价值
按照项目荷载要求定制设计刚性墙。通过创新的锚固系统在拐角实施简单的固定。
(1) 样板是不需要锚固的，取消了不切实际的现场程序。
(2) 灵活的高度、宽度和深度，允许最大化的应用。
(3) 按照IBC2000和UBC97设计满足最大层间漂移要求。
(4) 为了最大限度地提高效率，只使用工厂认定的高强度钢材。
(5) 按照紧固件表格要求来覆盖夹板，并且取消了混凝土砌块剪力墙。
(6) 检查仅限于拐角处简单的连接。
(7) 计算，以及尺寸和荷载超出产业标准，都要进行试验核实。
(8) 功能强大的设计可以融入钢材，混凝土和木结构，而不需要额外的昂贵零件。
(9) 设计灵活，快速安装，并且有着最大承载能力。
(10) 经受过多层应用考验，并且可以承受10层建筑的荷载。
(11) 在刚性墙骨架里的墙柱中心间距为406mm，并且作为承重和非承重墙柱制造。
(12) 墙骨架厚度（只是刚性墙）从89mm深度变化到203mm深度。
(13) 无焊接或与焊接有关的控制检查。
(14) 简化的锚固系统提供了一种实用的，固定到基础上，穿过楼面，并且在屋顶终止的附
件。
(15) 在覆盖物上附加的孔或切割没有减少剪力墙能力。
(16)SW-R（螺杆系统）是在墙体空腔里，抵制了热力传导，并且也便于平整装修。
(17)SW-S（拉带系统）是在墙体空腔外侧，便在墙体空腔里于配电和安装管道。
(18) 为电气配线预先钻好了孔。
(19) 允许的窗户玻璃面积是夹板支撑结构的3倍。
(20) 通过当地分销商分配和交货到施工现场。
（二）剪力墙系统荷载路径
1、垂直荷载路径
追踪与核实穿过结构的荷载路径，对于保护工程责任至关重要。需要把荷载从屋顶转移，穿过墙体和楼面系统，最终到达基础。剪力墙系统从上方构件（即楼面水泥板）把侧向荷载转移到下面的构件（即基础）。刚性墙提供了可以追踪的，容易证实的穿过结构的荷载路径。
A 从上面的楼面，通过楼面连接器，并转移到刚性墙锚栓支脚上，
B 从锚栓支脚到拉带导轨*上，
C 从拉带导轨到平拉带上*，
D 通过平拉带到另一侧底部拐角的拉带导轨*，
E 从拉带导轨到锚栓支脚上，
F 从锚栓支脚到楼面/系统或下面的基础上。
*柱子截面假设为受压荷载。
*通过刚性墙锚栓支脚把抬起力转移到锚栓上。
2、集中和偏心载荷
理想的是在最直方向，通过要素的最强点转移荷载。在轻钢骨架墙柱里，最强的要素是墙柱腹板。把荷载从墙柱腹板直接转移到下一个要素形成集中载荷。如果是从墙柱边缘把荷载转移到下一个要素，就打破了直线，导致偏心荷载。
（三）剪力墙系统刚性墙，SW-S设计
下面提供了刚性墙剪力墙系统的设计指南，并给出完整的设计例子。另外，也可以在钢材智能系统软件程序上选择刚性墙安装所使用的柱子、锚栓支脚、拉带和紧固件。额外的信息请接触钢材网络。
1、步骤1——选择刚性墙柱
这根特别的柱子包含一个额外的返回唇，以形成一个双唇，因此产生更强、更有效的支撑截面。在刚性墙里，柱子主要是垂直荷载转移构件。下图显示了一根典型的带有尺寸的刚性墙柱子。
重要注释：
刚性墙柱子必须使用刚性墙锚栓支脚。标准的钢材墙柱制造商联盟（SSMA） S型截面不需要在其内侧配用刚性墙锚栓支脚或拉带导轨。
2、步骤2——设计拉带导轨
拉带为安装者和设计者提供了优质控制特色。导孔防止在每个深腿和腹板能够快速和准确均匀的布置紧固件。在钢材墙柱制造商联盟（SSMA）标准导轨深度内侧也可以匹配设计的拉带导轨。标准的导轨厚度是1.73mm，带有2.46mm厚，F≥140mm深度的锚栓支脚。
3、步骤3——选择刚性墙锚栓支脚
刚性墙锚栓支脚是确保刚性墙同时抵抗较高的荷载，并在要素之间转移正荷载的关键要素，某些传统的剪力墙系统并不提供这些。9种不同的刚性墙锚栓支脚可供选择，以适应不断变化的荷载要求。典型的刚性墙锚栓支脚显示如下。依赖于锚栓支脚连接到柱子（步骤4）上紧固件数量要求，在锚栓支脚B-F里能找到“重型”构造。参考荷载表选择合适的锚栓支脚。
4、步骤4——确定柱子到锚栓支脚抬起紧固件要求
◇允许荷载基于AISI-NASPEC2001冷轧钢材构件规范的E3.3.2部分。
◇基于AISI-ASD89规范第4部分，一颗M12（A325）螺栓允许抗剪荷载=14.86kN。
◇基于大多数可选的商业螺钉数据，一颗ST5.5自攻螺钉最大允许抗剪荷载=4.00kN。
在传统的平拉带剪力墙里，是通过减少安装紧固件使用数量来增强结构效率，这里是采用ST5.5自攻螺钉或12.7mm A325螺栓把锚栓支脚固定到刚性墙柱子上来提高效率。对于抬起条件，对于锚栓支脚A，采用全部抬起力除以单个螺钉抗剪力，计算出锚栓支脚A的螺钉数量。对于锚栓支脚B-E，分别为4颗、6颗、8颗和10颗紧固件布局构造，在标准产品里，采用4颗紧固件导孔。按照锚栓支脚类型+“重型”，指定6颗、8颗，或10颗导孔，根据墙的深度不同，锚栓支脚F有标准的7颗或14个导孔。
抬起要求参考设计例子
5、步骤5——选择刚性墙平拉带
平拉带是张力构件，用于在拉带导轨对角位置之间转移荷载。平拉带选型简化为6种拉带类型（见下面的特性表），带有荷载能力系数，使用标准的1.73mm厚拉带导轨。
拉带 宽度（mm) | 拉带厚度（mm) | 屈服强度（MPa) | 每排最大螺钉数量 | 单根拉带允许张力（kN) | 最大拉带张力ST5.5自攻螺钉数量 |
102 | 1.37 | 345 | 4 | 23.31 | 10(25.35) |
152 | 1.37 | 345 | 6 | 35.01 | 14(35.5) |
203 | 1.37 | 345 | 8 | 46.66 | 19(48.13) |
203 | 1.73 | 345 | 8 | 58.71 | 17(60.85) |
254 | 1.37 | 345 | 10 | 58.31 | 23(58.31) |
254 | 1.73 | 345 | 10 | 73.48 | 21(75.22) |
固定到1.73mm厚“拉带导轨”（t1）的ST5.5自攻螺钉抗剪值
t1=1.73mm厚…t2=1.37mm…基于AISI等效强度和边缘距离，(1)颗ST5.5自攻螺钉抗剪值=2.54kN。
t1=1.73mm厚…t2=1.73mm…基于AISI等效强度和边缘距离，(1)颗ST5.5自攻螺钉抗剪值=3.58kN。
注意：边缘距离要求：1.5d
中心线到中心线间距：3d
6、步骤6
（1）条件1：基础锚栓设计
参考轻钢骨架手册第二版，79页的紧固件部分，设计穿过楼面的螺栓紧固件。刚性墙基础典型详图见45页。TSN建议使用垫圈、防松垫圈、双螺母垫圈，或在每颗螺栓的端部点焊。
尺寸显示了基板导孔和边缘距离。锚栓支脚A-E锚栓的导孔是针对M22螺栓制造的。锚栓支脚F采用M32螺栓。
表格注释：
1. 把间距或边缘影响系数施加到左边的凝固/粘结值上，然后和钢材值进行比较。取较小的数值用于设计。
1、对于hef≥hnom，平均极限凝固抗剪能力基于凝固能力设计（CCD）方法。对于hef＜hnom，平均极限凝固抗剪能力基于凝固试验。
2、所有数值都基于硬质合金刀头钻出来的孔（见轻钢骨架手册第二版紧固件部分的7.4.1部分），并且要用钢丝刷清洁干净。
对于上边的M22化学锚栓，允许的荷载表转载之轻钢骨架手册第二版的紧固件部分。
（2）条件2：穿过楼层的锚栓设计
参考轻钢骨架手册第二版，70页的紧固件部分，设计穿过楼面的螺栓紧固件。对于在顶端（屋顶）和穿过楼面的刚性墙典型详图，见45页。TSN建议使用垫圈、防松垫圈、双螺母垫圈，或在每颗螺栓的端部点焊。
◇基于AISC-ASD89规范，第4部分，每颗M12螺栓允许抗剪荷载=14.86kN。
◇M22螺栓的面积=0.387m2。
◇没有抗拉的允许抗剪力：145×0.387=56kN。
◇当只有拉力时，允许抗拉应力：303×0.387=117kN.
*当组合抗剪时，可以从AISI-ASD89规范第4部分的表J3.3确定允许抗拉应力。
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