淺析短肢剪力墻結構設計與異形柱在建筑工程中的應用

【摘 要】在現(xiàn)代社會的發(fā)展中，社會對于建筑的需求不再是傳統(tǒng)的每間房都隔開、結構柱梁都能明顯看到的建筑結構形式，現(xiàn)代社會對于建筑結構提出的要求是大開間、不露梁露柱、室內(nèi)布置與空間劃分更靈活的新結構形式。這樣一來，傳統(tǒng)的框架結構施工就不能很好的滿足現(xiàn)代建筑的需求，在此情況下，異形柱與短肢剪力墻的結構設計方式就營運而生了。且在現(xiàn)代建筑結構設計中，尤其是小高層和一般住宅建筑的結構設計中，得到了廣泛的應用和發(fā)展?，F(xiàn)本文就來針對這兩種結構設計形式進行簡要探討。

【關鍵詞】建筑結構；異形柱；短肢剪力墻；設計方式

就目前我國的城市現(xiàn)狀而言，人口的不斷增長與城市有限的空間資源形成了一種難以調(diào)解的矛盾，為了緩解這一現(xiàn)狀，人們對于城市建筑內(nèi)部的空間利用率提出了更高的要求。如何在有限的建筑室內(nèi)空間增大建筑的可利用空間成為了人們最為關注的問題。建筑設計人員在原有的框架-剪力墻結構的基礎上，對建筑結構的設計形式進行了改進，形成了兩種新的建筑結構形式，即異形柱框架結構和短肢剪力墻結構。這兩種結構設計相較于原來的框架-剪力墻結構來講，最大的優(yōu)點就是滿足了人們對建筑內(nèi)部大開間的需求，使建筑室內(nèi)平面布置更加靈活，極大的增加了建筑內(nèi)部的有效利用空間，成為當前住宅建筑及小高層建筑結構設計中最受歡迎的建筑結構設計方式。

一、短肢剪力墻結構與異形柱結構的簡要介紹

1、短肢剪力墻結構

短肢剪力墻結構是指墻肢的長度為厚度的5-8倍剪力墻結構，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型。對短肢剪力墻結構的設計計算，因其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結構分析相同，可采用三維桿-系簿壁柱空間分析方法或空間桿-墻組元分析方法，其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況，精度較高。

2、異形柱結構

異形柱結構是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對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。異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載（作用）方向不同而有較大差異。在L形、T形和十字形三種異形柱中，以L形柱的差異最為顯著。當異形柱結構中混合使用等肢異形柱與不等肢異形柱時，則差異情況更為錯綜復雜，成為異形柱結構地震作用計算中不容忽視的問題。所以對異形柱結構應采用三維空間分析的方法。

由于異形柱框架結構和短肢剪力墻結構的設計方式與施工技術還處于初期發(fā)展階段，沒有一個較為完整的標準體系，但就目前的發(fā)展形勢來看，市場對于這種靈活的結構設計方式的需求還是很大的，為此，在實際的建筑結構設計中，設計人員需要充分結合建筑項目的應用特點、功能作用、空間需求以及經(jīng)濟投入等各方面因素綜合考慮，根據(jù)短肢剪力墻與異形柱框架結構的受力特點和破壞機理，選擇最佳的結構設計方式，以實現(xiàn)最優(yōu)的建筑效果。

二、異形柱結構形式的設計

在異形柱框架結構設計中，尤其要注意異形柱框架的計算方法與軸壓比控制。這是因為異形柱結構的截面不相對稱，這就決定了其受力、抗震的性能與普通框架結構有所不同，在實際的應用中，不對稱的截面會受到雙向偏心的荷載，這會給異形柱結構的負荷能力帶來一定的考驗。在設計中，對于異形柱結構單元計算和軸壓比的控制，具體需要注意的事項分別如下所示：

1、異形柱框架的計算

由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按砼設計規(guī)范計算，特別是在框-剪，框-筒結構中，對6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結構進行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進行內(nèi)力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件?，F(xiàn)在有一些軟件沒有異形柱截面形式，如要用它進行計算，要先進行等剛度等面積換算成矩形柱，進行整體分析，得到雙向內(nèi)力后再進行異形柱的截面設計，其工作量相當大，且截面設計的可靠性不高。

2、軸壓比控制

對框架結構，框-剪結構，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關鍵指標。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關重要，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

三、短肢剪力墻結構及其計算

與異形柱框架結構相比，短肢剪力墻結構的設計理論與實踐經(jīng)驗都相對更加完善一些，這是由于短肢剪力墻只是為了滿足建筑對空間的需求而縮小的特殊剪力墻結構而已，其計算、構造、配筋等方法基本與普通剪力墻結構很相似。但盡管如此，在采用短肢剪力墻結構進行設計施工時，仍然需要注意以下幾個問題：

1、由于短肢剪力墻結構相對于普通剪力墻結構其抗側(cè)剛度相對較小，設計時宜布置適當數(shù)量的長墻，或利用電梯，樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免設防烈度下結構產(chǎn)生大的變形，同時也形成兩道抗震設防；

2、短肢剪力墻結構的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當有扭轉(zhuǎn)效應時，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應加強其抗震構造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率；

3、高層短肢剪力墻結構在水平力作用下，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，由一些模型試驗反映出外周邊墻肢開裂，因而對外周邊墻肢應加大厚度和配筋量，加強小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應在兩個方向上均有連接，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，必要時用長肢墻來調(diào)整剛度中心；

5、高層結構中的連梁是一個耗能構件，在短肢剪力墻結構中，墻肢剛度相對減小，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，不應在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設計內(nèi)力降低，應按普通框架梁要求，控制砼壓區(qū)高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70%-80%來解決，按強剪弱彎，強柱弱梁的延性要求進行計算。

四、結語

鑒于異形柱與短肢剪力墻的建筑結構形式更符合現(xiàn)代建筑的需求，因此，必將成為未來建筑設計施工中應用最為廣泛的兩種結構設計。還必須不斷的對這兩種結構設計進行改進與完善，使其經(jīng)濟性、實用性、抗震性等多種功能特性都能得到更大的提高，尤其是對于其抗震性能的設計，更需要不斷加強，以滿足社會對于建筑安全性的需求。

參考文獻

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