探討高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)受力分析與設(shè)計(jì)

[摘要]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，如計(jì)算方法、異形柱受力性能及其軸壓比控制、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱等進(jìn)行探討，提出建議，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

[關(guān)鍵詞]異形柱;短肢剪力墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

一、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長(zhǎng)度為厚度的5-8倍剪力墻結(jié)構(gòu)，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型。

這種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)是：

①結(jié)合建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾；

②墻的數(shù)量可多可少，肢長(zhǎng)可長(zhǎng)可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置；

③能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡(jiǎn)單；

④連接各墻的梁，隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)，可隱蔽；

⑤根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，較易滿足剛度和強(qiáng)度要求。

注意事項(xiàng)：

(1)由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對(duì)較小，設(shè)計(jì)時(shí)宜布置適當(dāng)數(shù)量的長(zhǎng)墻，或利用電梯，樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，同時(shí)也形成兩道抗震設(shè)防；

(2)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，會(huì)加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應(yīng)加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率；

(3)高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主，底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力，由一些模型試驗(yàn)反映出外周邊墻肢開裂，因而對(duì)外周邊墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量，加強(qiáng)小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應(yīng)在兩個(gè)方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢；

(4)各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時(shí)用長(zhǎng)肢墻來調(diào)整剛度中心；

(5)高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對(duì)減小，連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應(yīng)在計(jì)算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁要求，控制砼壓區(qū)高度，其梁端負(fù)彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70%-80%來解決，按強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)柱弱梁的延性要求進(jìn)行計(jì)算。

二、異形柱結(jié)構(gòu)

異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對(duì)于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

①由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；

②對(duì)于長(zhǎng)柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)短柱（H/h<4），剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ(εcu為砼的極限壓應(yīng)變，χ為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；

③異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；

④特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內(nèi)外大量的試驗(yàn)資料和理論分析，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長(zhǎng)比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來保證其強(qiáng)度和延性。

三、異形柱的受力性能及其軸壓比控制

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。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。

四、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，“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。”因此，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，“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。