淺析異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計
2012-12-31 00:00:00李海峰
【摘要】隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，當(dāng)前建筑工程設(shè)計已成為工程項目施工建設(shè)中不可缺少的工程環(huán)節(jié)，是保證工程質(zhì)量和建筑物使用功能有效措施。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑行業(yè)也邁進(jìn)了發(fā)展的新階段，其在發(fā)展中促進(jìn)了其他行業(yè)的發(fā)展與繁盛?？茖W(xué)技術(shù)的日新月異為目前建筑施工工藝和設(shè)計注入了新的生機與活力，同時也為其設(shè)計提出了更高要求。異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)作為建筑行業(yè)的新概念、新結(jié)構(gòu)而受到人們的關(guān)注與完善。本文就異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的管理措施。
【關(guān)鍵詞】異形柱；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計
0.前言
隨著當(dāng)前社會發(fā)展中，各種新的結(jié)構(gòu)形式廣泛的應(yīng)用在房屋建設(shè)中，成為房屋設(shè)計工作要點。結(jié)構(gòu)設(shè)計在目前的工程項目中已成為保證建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，更是當(dāng)前建筑行業(yè)進(jìn)行施工指導(dǎo)和規(guī)范。從結(jié)構(gòu)受力角度來說，異形柱和短肢剪力墻體系在設(shè)計中通過綜合分析與應(yīng)用，為施工技術(shù)和應(yīng)用措施的選擇提供了必要基礎(chǔ)。在當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以框架結(jié)構(gòu)為主的建筑結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用日趨廣泛，這就為異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了發(fā)展的前提與動力。在當(dāng)前的建筑工程項目中，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與施工工藝已無法滿足人類日益變化的高精神需求與物質(zhì)需求，因此在工作中采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計是當(dāng)前建筑工程建設(shè)的主要手段，也是提高工程質(zhì)量和功能的核心。在設(shè)計中，逐步提出了一種平立面布置近于框架結(jié)構(gòu)，柱的截面形式又不拘泥于矩形的新方式，從而為建筑工程項目的設(shè)計提供了指導(dǎo)依據(jù)。
1.異形柱結(jié)構(gòu)型式及其計算
異形柱結(jié)構(gòu)隨著人們對住宅，特別是高層住宅建筑平面與空間結(jié)構(gòu)要求的逐步提高，原來的普通框架結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間造成嚴(yán)重的限制影響，而逐步無法滿足人們的大空間生活需求。因此，在工程項目中對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計變得更加重要，其通過在原有的剪力墻基礎(chǔ)上吸收框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點而形成了一種新的住宅觀念和高層住宅建筑結(jié)構(gòu)形式。
異形柱結(jié)構(gòu)形式在當(dāng)前建筑工程施工過程中是應(yīng)用的重點，是在承受能力能夠滿足稱壓力的情況下形成的，截面幾何形狀為L形、T形、和十字形?；炷廉愋沃蚣芙Y(jié)構(gòu)：是以異形柱代替一般框架柱，和梁剛性連接組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。其在設(shè)計的過程中是基于建筑安全為基礎(chǔ)前提進(jìn)行綜合設(shè)計和分析，從建筑結(jié)構(gòu)整體性和安全性進(jìn)行統(tǒng)一的分析與設(shè)計，能夠在使用的過程中承受不同的壓力和結(jié)構(gòu)力，是保證建筑工程質(zhì)量的關(guān)鍵。
2.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)及其計算
短肢墻結(jié)構(gòu)在當(dāng)前建筑工程的應(yīng)用中主要應(yīng)用在小高層住宅建筑中，是住宅建筑施工中常見的基礎(chǔ)措施。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中的時候，通過結(jié)合當(dāng)前社會中的科學(xué)技術(shù)手段和實際工作經(jīng)驗進(jìn)行綜合分析與設(shè)計，在當(dāng)前設(shè)計和應(yīng)用的過程中是結(jié)合當(dāng)前的實際情況進(jìn)行綜合的計算和分析，其計算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)角沿縱軸的導(dǎo)數(shù)），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(nèi)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(jié)構(gòu)布置復(fù)雜（如有轉(zhuǎn)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(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時變形不協(xié)調(diào)。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于肢長較短，本身較高細(xì)，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地反映結(jié)構(gòu)的受力，精度較高。同時在短肢剪力墻設(shè)計中，必須要滿足以下條件：抗震設(shè)計時，短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的 50%。當(dāng)短肢墻較少時，如短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的 15%～ 40%，則可以按普通剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。下限規(guī)范沒有規(guī)定，用戶可以靈活掌握。
3.異形柱的受力性能及其軸壓比控制
某大學(xué)的試驗研究結(jié)果表明：異形柱的延性比普通矩形柱的差。其在設(shè)計的過程中軸壓比、高長比（即柱凈高與截面肢長之比）是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個重要因素。
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。
4.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。
在短肢剪力墻應(yīng)用的過程中，是通過各種相應(yīng)的規(guī)范對框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱。其在剪力墻和異形柱設(shè)計的過程中，是采用當(dāng)前相應(yīng)的社會技術(shù)手段綜合分析和管理?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時，如何定義框支柱，是當(dāng)前建筑設(shè)計的關(guān)鍵，其涉及到安全與經(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，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。建議當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置不超過五層時，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，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)換對抗震不利，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換。
5.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震加強措施
抗震設(shè)計時，短肢剪力墻的抗震等級應(yīng)比規(guī)定的剪力墻的抗震等級提高一級采用。抗震設(shè)計時，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產(chǎn)生的軸力設(shè)計值的軸壓比，抗震等級為一、二、三時，分別不宜大于0.5、0.6和0.7；對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，其軸壓比限值相應(yīng)降低0.1。抗震設(shè)計時，除底部加強部位應(yīng)條調(diào)整剪力設(shè)計值外，其它各層短肢剪力墻的剪力設(shè)計值，一、二級抗震等級應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.4和1.2?？拐鹪O(shè)計時，短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%。
6.結(jié)束語
近年來，隨著人們對建筑結(jié)構(gòu)要求的不斷提高，各種建筑結(jié)構(gòu)形式不斷的出現(xiàn)在人們眼前，為各個企業(yè)和施工單位的工程設(shè)計方式的提高奠定了發(fā)展的基礎(chǔ)。短肢剪力墻和異形柱結(jié)構(gòu)廣泛的被應(yīng)用在當(dāng)前的建筑工程之中，成為建筑工程項目設(shè)計與研究重點。 [科]
