異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王芳芳

（秦皇島莊典裝飾工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

現(xiàn)代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應(yīng)用。目前，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關(guān)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條款，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題，需要設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文旨在對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行探討，提出個(gè)人看法，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

1 異形柱的受力性能及其軸壓比控制

天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明[1]：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比（即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比）是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個(gè)重要因素。

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(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，導(dǎo)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(yán)格控制軸壓比，同時(shí)避免高長(zhǎng)比小于4（短柱）。控制柱截面軸壓比的目的，在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)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(shè)計(jì)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(shí)際面積計(jì)算）；天津《規(guī)程》則根據(jù)箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級(jí)共同確定，其要求比廣東《規(guī)程》嚴(yán)格，例如，對(duì)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(jí)為三級(jí)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(gòu)件，柱肢截面的肢厚比（即肢長(zhǎng)／肢寬）不大于 4?！陡咭?guī)》（JGJ3-91）第5.3.4條，“抗震設(shè)計(jì)時(shí)，小墻肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二級(jí)剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于0.6”。根據(jù)上述分析，為便于應(yīng)用，建議在6度設(shè)防區(qū)，對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)，L形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過0.6（按截面的實(shí)際面積計(jì)算，下同），T形截面柱的的軸壓比不應(yīng)超過0.65，十字形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過0.8；對(duì)于異形柱框架-剪力墻（或核心筒）結(jié)構(gòu)，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(duì)于轉(zhuǎn)換層下的支承柱，其軸壓比仍不應(yīng)超過0.60。

短柱在壓剪作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱。根據(jù)高長(zhǎng)比不宜小于4，在梁高為600mm的前提下，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0m時(shí)，異形柱的最大肢長(zhǎng)可為600mm；底層層高為4.2m時(shí)，肢長(zhǎng)可為900mm。

2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱

在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業(yè)用房需較大空間，就得通過轉(zhuǎn)換層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。

據(jù)研究表明[2]，“框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變，內(nèi)力的傳遞僅靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)換層下部的'框支'結(jié)構(gòu)易于開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗震。高烈度區(qū)（9度及9度以上）不應(yīng)采用；8度區(qū)可以采用，但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度，可考慮不宜超過3層；7度區(qū)可適當(dāng)放寬限制?！币虼?，建議在6度抗震設(shè)防區(qū)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜超過5層，避免高位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層上下的層剛度比γ宜接近1，不宜超過2。轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，宜同時(shí)控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度（即考慮彎曲剪切和軸向變形的綜合剛度），使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)高度取框支層的總高度，其平面和層高與轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)相同；EcJc為轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度。研究表明[2]，“控制轉(zhuǎn)換層下部‘框支’結(jié)構(gòu)的等效剛度對(duì)于減少轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角和內(nèi)力突變是十分必要的，效果也很顯著?！?/p>

規(guī)范對(duì)框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟(jì)的問題。根據(jù)圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高（如高位轉(zhuǎn)換）時(shí)，除轉(zhuǎn)換層附近樓層的內(nèi)力較復(fù)雜外，下面的結(jié)構(gòu)受到的影響很小，應(yīng)與普通框架結(jié)構(gòu)基本一樣，不必按框支柱處理。文獻(xiàn)[3]計(jì)算了兩個(gè)28層的結(jié)構(gòu)，一為內(nèi)筒外框架結(jié)構(gòu)，一為內(nèi)筒外框支結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)在18層。計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換層下二層的內(nèi)力影響很大，下三層的內(nèi)力誤差最大為15%，下五層的內(nèi)力已比較接近（最大誤差小于10%）,下八層的內(nèi)力已基本一樣（最大誤差小于5%）。這說(shuō)明框支柱只需在五層范圍內(nèi)加以考慮，其它層的柱子按普通框架柱處理即可。因此，建議當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置不超過五層時(shí)，轉(zhuǎn)換層下的各層柱均按框支柱處理；當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置超過五層時(shí)，轉(zhuǎn)換層下相鄰的五層柱按框支柱處理，而其它層的柱按普通框架柱處理。由于高位轉(zhuǎn)換對(duì)抗震不利，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換。

3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明[4]，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂；在地震作用下，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)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(yán)重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重；在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對(duì)減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)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(zhì)心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度（宜取250mm，對(duì)底部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm），加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋，嚴(yán)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(jié)構(gòu)中連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對(duì)抗震不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)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(gè)方向均有梁與之拉結(jié)，連梁宜布置在各肢的平面內(nèi)，避免采用“一”字形墻肢；短肢剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求等。

[1]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(jié)構(gòu).1999,29(1):16-21.

[2]徐培福等.轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].建筑結(jié)構(gòu).2000,30(1):38-42.

[3]肖文韜等.高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的選取.第五屆全國(guó)高層建筑抗震技術(shù)交流會(huì)論文集[S].桐廬，1995.11.

[4]程紹革等.高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué).2000,16(1):12-16.