住宅樓設(shè)計中的異性柱框架結(jié)構(gòu)計算研究

李佳澤 石昌文

摘 要：本文從筆者工作經(jīng)驗出發(fā)，深度探討了層建筑結(jié)構(gòu)中異形柱和短肢剪力墻得受力情況，文章首先介紹了異形柱結(jié)構(gòu)的特點，而后研究了異形柱結(jié)構(gòu)受力的計算方法，最后詳細(xì)闡述了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點和需要引起重視的方向。

關(guān)鍵詞：異形柱 短肢剪力墻 受力情況

中圖分類號：TU375 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0115-02

以往宅樓設(shè)計多采有砌體結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)兩種體系，近年來，從多層框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)衍生發(fā)展異形柱框架結(jié)構(gòu)和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。因其能較好地滿足建筑使用上和結(jié)構(gòu)上的要求，很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺陷，而得到了推廣和應(yīng)用。下面對這兩種新的高層住宅結(jié)構(gòu)形式的受力特點、結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)造要求進行闡述。

1 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)的特點如下。

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

（2）對于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（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，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(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)計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。

2 異形柱框架結(jié)構(gòu)的計算

在國家現(xiàn)行規(guī)范中沒有給出異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法，工程實踐，提出異形框架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的一些結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。利用現(xiàn)有的計算機軟件，用普通框架結(jié)構(gòu)分析出矩形柱的內(nèi)力和實際配筋，然后利用以下的敘述方法，用異形柱替代矩形柱，就可以快速而精確的分析出異形柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

2.1 等剛度原理

框架結(jié)構(gòu)梁、柱內(nèi)力的分配只和剛度相關(guān)（i=EI/L），剛度大的柱將分配到較大的水平力，因此，在計算時通過剛度相等原理，把T形、L形、十字形柱換算成矩形柱，進人相關(guān)的PK軟件程序，根據(jù)內(nèi)力可算出正確的配筋。

2.2 柱軸壓比的控制

根據(jù)規(guī)范（GBJ10-89）規(guī)定，抗震設(shè)計時，框架柱在豎向荷載與地震作用組合下的軸壓比宜滿足軸壓比限制（N/fcmbh）。柱軸壓比反映柱構(gòu)件的變形能力，是影響柱破壞形態(tài)的重要因素。因此須嚴(yán)格控制柱軸壓比，同時避免柱凈高與柱肢長之比小于4的短柱。異形柱框架結(jié)構(gòu)和普通框架結(jié)構(gòu)不僅柱截面進行剛度代換，而且還需柱截面面積相等原則進行計算，即同時滿足下面三式：

A>AR （1）

Ix>IRx （2）

Iy>IRY （3）

式中A，AR為異形柱及等效矩形柱截面積；

IX，IY，IRX，IRY為異形柱及等效矩形柱截面X，Y向主形心慣心矩。

2.3 異形柱肢支的取用

豎向荷載是通過梁傳遞給柱的，由于異形柱的柱肢較長，支撐反力作用點距柱形心較遠(yuǎn)，故異形柱在豎向荷載作用下，一般處于雙向偏心受壓狀態(tài)。異形柱肢長過長，對結(jié)構(gòu)受力性能不利。異形柱可能因柱肢端受力過于集中而發(fā)生失穩(wěn)破壞，或者異形柱局部承壓面積過小，而喪失承載能力。實際設(shè)計中異形柱肢長究竟在什么范圍內(nèi)才可取面積等效的矩形計算？根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料，肢厚比應(yīng)不大于4，小墻肢的截面高度不宜小于3bw（JGJ3-2010），同時滿足柱凈高與截面長邊尺寸或等于4。

2.4 其它結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

框架結(jié)構(gòu)體系應(yīng)布局合理，剛度均勻，柱布置宜規(guī)整對齊，傳遞內(nèi)力明確，并應(yīng)滿足抗震設(shè)計中軸壓比限制，實現(xiàn)強柱弱梁、強剪弱彎、提高框架柱的延性。異形柱箍筋加密區(qū)及柱肢內(nèi)縱筋間距應(yīng)滿足普通框架結(jié)構(gòu)矩形柱的有關(guān)規(guī)范。

3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長度為厚度的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)型式的特點如圖1所示。

（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，肢長可長可短，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，較易滿足剛度和強度要求。

對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)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。雖然三維桿系—簿壁柱空間分析程序使用較早、應(yīng)用較廣，但對墻肢較長的短肢剪力墻，應(yīng)該用空間桿—墻組元程序進行校核。

在進行以上分析后，按《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》進行截面與構(gòu)造設(shè)計，相對于異形柱結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的理論與實踐較為成熟，但這種結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍然有需要引起重視的方面。

（1）由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對較小，設(shè)計時宜布置適當(dāng)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(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，同時也形成兩道抗震設(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，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應(yīng)加強其抗震構(gòu)造措施；

（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，上一些模型試驗反映出外周邊肢開裂，因而對外周邊墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量，加強小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應(yīng)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(jié)構(gòu)中的邊梁是一個耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)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(yīng)在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使期設(shè)計內(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。

總之，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中根據(jù)其受力的特點，充分了解其破壞的各種機理，選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確掌握計算機分析方法和截面配筋，其結(jié)構(gòu)才能有可靠的安全保證。

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