異形柱與短肢剪力墻結構設計中的幾個問題

趙建永

摘 要：對異形柱與短肢剪力墻結構設計中的一些問題，如計算方法、異形柱受力性能及其軸壓比控制、短肢剪力墻結構中轉換層的設置高度及框支柱等進行探討，提出建議，供結構設計人員參考。

關鍵詞：異形柱；短肢剪力墻；結構設計

現代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內不出現柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結構能較好地滿足現代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應用。本文旨在對異形柱與短肢剪力墻結構設計中的一些問題進行探討，提出個人看法，供結構設計人員參考。

1 異形柱結構型式及其計算

異形柱結構型式有異形柱框架結構、異形柱框架——剪力墻結構和異形柱框架-核心筒結構。

異形柱結構自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結構不同。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，對異形柱結構應按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序進行內力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計算時不應將異形柱按剪力墻建模計算。

當采用不具有異形柱單元的空間分析程序（如TBSA 5.0）計算異形柱結構時，可按薄壁桿件模型進行內力分析。

對異形柱框架結構，一般宜按剛度等效折算成普通框架進行內力與位移分析。當剛度相等時，矩形柱比異形柱的截面面積大。一般，比值（A矩／A異）約在1.10-1.30之間。因此，用矩形柱替換后計算出的軸壓比數值不能直接應用于異形柱，建議用比值（A矩／A異）對軸壓比計算值加以放大后再用于異形柱。

對有剪力墻（或核心筒）的異形柱結構，由于異形柱分擔的水平剪力很小，由此產生的翹曲應力基本可以忽略，為簡化計算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架——剪力墻（或核心筒）結構進行內力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計算更為簡便。但應注意，按面積等效計算時，須同時滿足下面兩式：

A矩=A異；(2)b/h=(Ix異／Iy異)1/2

式中，A矩、A異——分別為矩形柱和異形柱的截面面積；

b、h——分別為矩形截面的寬和高；

Ix異 、Iy異——分別為異形柱截面x、y向的主形心慣性矩。

一般，按面積等效計算時，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對有剪力墻（或核心筒）的異形柱結構，計算分析表明，按面積等效與按剛度等效的計算結果是接近的。

異形柱的截面設計，可根據上述方法得出的內力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計算方法進行配筋計算。

2 短肢剪力墻結構及其計算

短肢剪力墻結構是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構。其計算模型、配筋方式和構造要求均同于普通剪力墻結構。在TAT、TBSA中，只需按剪力墻輸入即可，而且TAT、TBSA更適合用來計算短肢剪力墻結構。TAT、TBSA所用的計算模型都是桿件、薄壁桿件模型，其中梁、柱為普通空間桿件，每端有６個自由度，墻視為薄壁桿件，每端有７個自由度（多一個截面翹曲角，即扭轉角沿縱軸的導數），考慮了墻單元非平面變形的影響，按矩陣位移法由單元剛度矩陣形成總剛度矩陣，引入樓板平面內剛度無限大假定減少部分未知量之后求解，它適用于各種平面布置，未知量少，精度較高。但是，薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結構布置復雜（如有轉換層）時，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響，當結構布置復雜時變形不協(xié)調。而短肢剪力墻結構由于肢長較短（一般為墻厚的５-８倍），本身較高細，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計算短肢剪力墻結構能較好地反映結構的受力，精度較高。

3 異形柱的受力性能及其軸壓比控制

異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態(tài)下，各肢產生翹曲正應力和剪應力。由于剪應力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現裂縫，即產生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。

作為異形柱延性的保證措施，必須嚴格控制軸壓比，同時避免高長比小于４（短柱）?？刂浦孛孑S壓比的目的，在于要求柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求。廣東《規(guī)程》按建筑抗震設計規(guī)范（GBJ11-89）中所規(guī)定的柱子軸壓比降低0.05取用（按截面的實際面積計算）；天津《規(guī)程》則根據箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級共同確定，其要求比廣東《規(guī)程》嚴格，例如，對s/d＝５、４（即箍筋間距s＝100mm，縱筋直徑d分別為20mm、25mm的情況），箍筋直徑dv＝8mm，抗震等級為三級的L形截面，其軸壓比限值分別為0.60，0.65。異形柱是從短肢剪力墻向矩形柱過渡的一種構件，柱肢截面的肢厚比（即肢長／肢寬）不大于４?！陡咭?guī)》（JGJ3-91）第5.3.4條，“抗震設計時，小墻肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二級剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于0.6”。根據上述分析，為便于應用，建議在６度設防區(qū)，對于異形柱框架結構，L形截面柱的軸壓比不應超過0.6（按截面的實際面積計算，下同），T形截面柱的的軸壓比不應超過0.65，十字形截面柱的軸壓比不應超過0.8；對于異形柱框架-剪力墻（或核心筒）結構，由于框架是第二道抗震防線，所以框架柱的軸壓比限值可放寬到0.65（L形）、0.70（T形）、0.90（＋字形），但對于轉換層下的支承柱，其軸壓比仍不應超過0.60。

4 短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設計

振動臺模擬地震試驗結果表明，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當有扭轉效應，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂；在地震作用下，高層短肢剪力墻結構將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷載，破壞嚴重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴重；在短肢剪力墻結構中，由于墻肢剛度相對減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結構設計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)，更應加強概念設計和抗震構造措施。例如，短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質心盡量接近，以減小扭轉效應；適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度（宜取250mm，對底部外圍的小墻肢根據需要可取用300mm），加強墻肢端部的暗柱配筋，嚴格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6，以提高墻肢的承載力和延性；高層結構中連梁是一個耗能構件，連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞；短肢剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結，連梁宜布置在各肢的平面內，避免采用“一”字形墻肢；短肢剪力墻底部加強部位的配筋應符合規(guī)范要求；等。

參考文獻

[１]戴教芳．多層框架異形柱設計探索[J].工業(yè)建筑,1996,26(1):33-35.

[２]龍衛(wèi)國．異形柱受力性能及結構設計有關問題探討[J]．四川建筑，2000,20(2):50-52.

[３]趙玉祥．鋼筋混凝土高層建筑設計中若干問題的探討[J]．建筑結構學報.1998，19(2):12-22.

[４]趙艷靜等．鋼筋混凝土異形截面雙向壓彎柱延性性能的理論研究[J]．建筑結構.1999,29(1):16-21.

[５]徐培福等．轉換層設置高度對框支剪力墻結構抗震性能的影響[J]．建筑結構.2000,30(1):38-42.

[６]肖文韜等．高層建筑結構計算模型的選?。谖鍖萌珖邔咏ㄖ拐鸺夹g交流會論文集[S].桐廬，1995.11．

[７]程紹革等．高層建筑短肢剪力墻結構振動臺試驗研究[J]．建筑科學.2000,16(1):12-16.