卓越維港名苑別墅異形柱與短肢剪力墻結構設計

摘 要：卓越維港名苑聯(lián)排別墅為深圳市高檔別墅群，主體結構地下一層，地上三層，局部地上4層。為滿足建筑對平面和空間的要求，本項目采用異形柱與短肢剪力墻結合的框剪結構，本文對設計中的一些問題，如計算方法、受力性能及其軸壓比控制等進行探討，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

近年來，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，人們對住宅平面與空間的要求也越來越高?？蚣芙Y構往往因柱楞突出隔墻，妨礙美觀，影響使用效果。而一般剪力墻結構，對于房屋高度不太大的小高層建筑、別墅，會造成剛度過大，重量增加，導致地震反應過強，使得上部結構和基礎造價提高。為了避免上述缺陷，以一般剪力墻結構為基礎，吸取框架結構的優(yōu)點，使結構剛度調整到適宜，因此，異形柱與短肢剪力墻結構能較好的滿足要求。

1 工程概況

卓越維港名苑項目北區(qū)位于深圳市南山區(qū)蛇口東填海區(qū)，由4棟高層住宅，1棟聯(lián)排別墅及2棟多層住宅組成。設計使用年限50年，抗震設防烈度為7度，設計地震加速度分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g，場地土類別Ⅱ類。其中聯(lián)排別墅為地下一層地上三層，局部四層的框剪結構。

根據(jù)本工程特點，從建筑功能、結構抗震性能、工程造價等方面考慮，結構布置采用異形柱與短肢剪力墻結合的框剪結構。異形柱采用肢長600，柱肢厚度200的L型異形柱，短肢剪力墻采用200×1000～1400的一字型剪力墻。

由于地下車庫局部架空，層高7.5m，車庫部分在負一層布置了普通框架柱，二層以上轉換為異形柱。平面布置中，異形柱和短肢剪力墻均采用均勻對稱布置以減小偏心，使剛度和承載力分布均勻。

目前，現(xiàn)行國家規(guī)范或規(guī)程中已有關于混凝土異形柱結構的技術規(guī)程，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010也對短肢剪力墻結構的設計作出了規(guī)定。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。

2 異形柱結構型式及其計算

異形柱是指截面幾何形狀為L型、T型或十型，且各肢最小截面寬度小于300mm的柱。異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應大于4，且肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。由于異形柱截面形心往往與柱肢中軸線不重合，在水平荷載作用下，水平力通過與柱肢等寬的框架梁傳至柱肢中軸線上，使柱雙向偏心受壓，并產(chǎn)生扭轉力矩。對于L形柱，在柱肢軸線不通過柱截面彎曲中心的情況下，由于彎曲扭轉力矩的作用，柱截面產(chǎn)生扇性剪應力及扇性垂直應力（翹曲應力），因此，整體計算分析時，須按空間體系考慮和采用彈性方法。

在本工程中，我們采用PKPM系列之《多高層空間有限元分析軟件SATWE》進行結構分析，計算精度較高。在使用SATWE計算時，應注意以下參數(shù)選擇：①框架抗震等級：7度區(qū)H≤22mm時為三級抗震。②梁柱剛性連接，電算時應注意：由于混凝土異形柱的柱肢較長，梁柱重疊部分較大，因此須點取“梁柱重疊部分作為剛域”進行計算。③柱雙偏壓：異形柱是雙偏壓桿件，須采用雙偏壓計算。④調整系數(shù)：現(xiàn)澆結構中梁剛度放大系數(shù)2.0，邊梁剛度放大系數(shù)1.5，框架結構周期折減系數(shù)0.6～0.7。⑤對全樓強制采用剛性樓板假定。

3 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(xiàn)裂縫，即產(chǎn)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。異形柱的延性比普通矩形柱的差，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）。控制柱截面軸壓比的目的，在于要求柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求?！痘炷廉愋沃Y構規(guī)程》JGJ149-2006中6.2.2條也對異形柱的軸壓比限值做了明確規(guī)定。

4 短肢剪力墻結構及其計算

短肢剪力墻是指墻肢截面高度為厚度的5～8倍的剪力墻。和一般剪力墻相比，短肢剪力墻的優(yōu)點在于：

（1）墻肢較短，布置靈活，可調整性大，容易滿足建筑平面的要求。

（2）減少剪力墻而代之以輕質砌體，結構自重相應減輕，從而減小結構整體剛度，增大振動周期，降低地震作用力。

（3）墻肢高寬比較大，延性較好，對抗震有利。

（4）墻肢的承載力得到較充分發(fā)揮。

對短肢剪力墻結構的設計計算，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（TBSA、TAT）或空間桿——墻組元分析方法（TBSSAP、SATWE）。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。目前國內大多采用中國建研院系列軟件中的TAT和SATWE來計算。

本工程所采用的計算程序SATWE是專門為多高層建筑結構分析而研發(fā)的空間組合結構有限元分析軟件，適用于各種復雜體型的高層鋼筋混凝土結構體系計算。SATWE是以殼元理論為基礎構造一通用的超單元墻元為模擬剪力墻，它不僅具有平面內剛度，也具有平面外剛度，可以較好地模擬剪力墻的受力狀態(tài)。而且墻元的每個節(jié)點都具有空間6個自由度，可方便地與任意空間梁柱單元連接，無需任何附加約束。SATWE給樓板4種簡化假定，即假定樓板整體平面內無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。

5 短肢剪力墻結構設計應注意的問題

（1）嚴格控制短肢墻的軸壓比，尤其是無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻。目前，根據(jù)國內外研究結果，在承受壓彎作用的剪力墻中，當處于小偏壓狀態(tài)時，墻的延性較差。不僅如此，即使在大偏壓狀態(tài)下，若軸壓比較大，混凝土受壓區(qū)的邊緣應力很高，如果混凝土沒有約束或約束不夠，可能混凝土先達到極限壓應變，出現(xiàn)豎向裂縫，甚至壓碎，使構件喪失變形能力和承載能力。因此，在設計時，應嚴格控制短肢墻的軸壓比，以保證短肢墻的延性。

（2）應采取三維計算方法進行結構的動力特性分析和桿件內力計算。這時對于豎向構件又有薄壁桿模型與墻元模型，前者是一種簡化模型，但精確度較低；后者是板元與膜元的組合，是一種高精度力學模型。

（3）由于短肢剪力墻結構相對于普通剪力墻結構其抗側剛度相對較小，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。

（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；抗震設計中，簡體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結構底部地震傾覆力矩的50%，必要時也可以通過增加長肢墻的方法調整剛度中心位置。

（5）小高層住宅在設計時，為避免連梁剪切破壞先于彎曲破壞，應滿足強剪弱彎的要求；不宜采用窗下墻作為連梁，因為窗下墻高度很大，形成剛度很大的剪切塊，不利于結構的抗震設計，所以，宜將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。

6 結 語

作為框架結構和剪力墻結構體系的分支，異形柱和短肢剪力墻結構由于結構布置方面的靈活性，在別墅及小高層住宅結構設計中已被廣泛采用。結構設計中應結合住宅特點，運用抗震概念設計的原則，采取有效的抗震措施，注重細部設計，從而做到結構設計安全、經(jīng)濟、適用。

作者簡介：文靜，女。