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)

盧艷秋L(fēng)U Yan-qiu；盧鐵鋼LU Tie-gang

（①沈陽(yáng)市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110004；②沈陽(yáng)市城市安居置業(yè)有限公司，沈陽(yáng) 110033）

（①Shenyang Urban Planning Design &Research Institute，Shenyang 110004，China；②Shenyang City Housing Real Estate Co.，Ltd.，Shenyang 110033，China）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，在住宅環(huán)境、格局、空間，以及高層住宅平面與戶(hù)型等方面人們提出了更高的要求。在住宅空間需求逐步提高的現(xiàn)代社會(huì)，以露梁露柱、普通剪力墻結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)在如今的工程實(shí)踐中已不多見(jiàn)。為了進(jìn)一步適應(yīng)人們新的住宅觀念，滿(mǎn)足人們對(duì)高層住宅結(jié)構(gòu)型式的需要，設(shè)計(jì)師基于傳統(tǒng)剪力墻的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更符合現(xiàn)代住宅要求的“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”和“異形柱框架結(jié)構(gòu)”型式。這兩種結(jié)構(gòu)憑借自身的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的不足，進(jìn)而受到建筑師的認(rèn)可和關(guān)注。為了進(jìn)一步推廣這種構(gòu)造形式，筆者將對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行細(xì)致的分析。

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

工程中常見(jiàn)的“T”型、“L”型、“十”字型、“Z”型、折線(xiàn)型、“一”字型等類(lèi)型的短肢剪力墻，其截面厚度一般不到300mm，各肢截面高度與厚度之比的最大值在4～8 之間。

對(duì)于這種結(jié)構(gòu)型式來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

①利用間隔墻位置，對(duì)豎向構(gòu)件進(jìn)行布置，不會(huì)對(duì)建筑的使用功能構(gòu)成影響；②墻的數(shù)量具有一定的隨機(jī)性，同時(shí)肢長(zhǎng)沒(méi)有限制，主要根據(jù)抗側(cè)力的實(shí)際需要來(lái)決定；③布置靈活，多種方案可供選擇，并且樓蓋方案比較簡(jiǎn)單；④對(duì)于連接各墻的梁，可以在間隔墻豎平面內(nèi)設(shè)置墻肢位置，并且可以隱蔽；⑤根據(jù)建筑平面實(shí)際的抗側(cè)剛度，利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，進(jìn)而在一定程度上滿(mǎn)足剛度、強(qiáng)度的需要。

在理論與實(shí)踐方面，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)較異形柱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)要較為成熟，但是，在設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，以下方面需要給予高度的關(guān)注。

①與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比，由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度比較小，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要適當(dāng)增加長(zhǎng)墻的數(shù)量，或者利用電梯，以及樓梯間形成較大剛度的內(nèi)筒，進(jìn)而在一定程度上避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形；②對(duì)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，建筑平面外邊緣的角部處的墻肢是抗震的薄弱部位，當(dāng)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，已有的翹曲變形會(huì)變得更加嚴(yán)重，進(jìn)而在一定程度上造成墻肢首先發(fā)生開(kāi)裂。因此，需要對(duì)抗震構(gòu)造采取相應(yīng)的措施；③在水平力作用下，對(duì)于高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要是整體彎曲變形，并且較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力由底部外圍小墻肢來(lái)承受，在這種情況下，需要進(jìn)一步加強(qiáng)小墻肢的抗震性能；④均勻分布各墻肢，進(jìn)一步使其剛度中心盡量接近建筑物的中心，在必要的情況下，可以通過(guò)長(zhǎng)肢墻對(duì)剛度中心進(jìn)行調(diào)整；⑤連梁作為高層住宅結(jié)構(gòu)中的耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中其墻肢剛度較小。連接各墻肢間的梁雖然和普通框架梁無(wú)明顯區(qū)別，但是不同于剪力墻間的連梁。在整體結(jié)構(gòu)中，連梁應(yīng)該保持一定的剛度，否則無(wú)法保證其設(shè)計(jì)內(nèi)力達(dá)到預(yù)期要求。通常情況下，需要按照普通框架梁的實(shí)際情況，對(duì)砼壓區(qū)高度進(jìn)行控制。

2 異形柱結(jié)構(gòu)

異形柱結(jié)構(gòu)是指截面各肢的肢高與肢厚比不大于4的鋼筋混凝土柱，與正方形、矩形柱柱子相比，存在一定的差異。通常情況下，它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻。目前業(yè)界通用的結(jié)構(gòu)形式除“十”字型以外，還有“L”型和“T”型。

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

①截面結(jié)構(gòu)特殊，墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度嚴(yán)重不一致，致使各向承載能力因剛度的差異而存在差異性；②長(zhǎng)柱（H/h>4）的剪切變形忽略不計(jì)?？刂戚S壓較小時(shí)，受力情況良好，變形效果可控。短柱（H/h<4）則要充分考慮剪切變形的影響。異形柱通常為薄壁型短柱異形柱，柱體遭到延性破壞后，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，因而彎曲變形可控；③多肢異形柱的平面范圍內(nèi)有剪切中心。在受力情況下，必須通過(guò)各柱肢交點(diǎn)部位核心砼對(duì)內(nèi)力及變形進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，在這種情況下，各柱肢內(nèi)往往會(huì)產(chǎn)生較大的翹曲應(yīng)力及剪應(yīng)力。而柱肢早期裂縫基本是剪應(yīng)力所致。另外，剪應(yīng)力也使各肢核心砼處于三向剪力狀態(tài)，降低了普通截面柱變形能力，并伴有嚴(yán)重的脆性破壞；

設(shè)計(jì)異形柱結(jié)構(gòu)時(shí)，首先考慮高規(guī)的相關(guān)要求，其次要關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：

2.1 異形框架的計(jì)算 異形框架截面相對(duì)特殊，由于柱截面對(duì)稱(chēng)軸內(nèi)存在水平力，使得彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，使得構(gòu)件成為承受水平力的偏壓構(gòu)件。允許基于平截面標(biāo)準(zhǔn)作假定分析，并依照參考砼設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，尤其是在“框-剪、框-筒”結(jié)構(gòu)中，在烈度區(qū)為6 度或6度以下的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地的框架柱，可以承擔(dān)的水平風(fēng)載非常少，只需參考一般的偏壓柱計(jì)算方法便可得到相對(duì)精準(zhǔn)的分析結(jié)果。這時(shí)，異形柱代換成剛度和面積相同的矩形柱后可作整體分析。當(dāng)非主軸方向上存在較大的水平力時(shí)，一定要考慮翹曲應(yīng)力，若以平截面的標(biāo)準(zhǔn)作假定分析，可能出現(xiàn)大的誤差。正確的方法是分析異形柱框架構(gòu)造的有限元，用以調(diào)整內(nèi)力、配筋的位置和大小。運(yùn)用專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件（比如，建研院的TAT、SATWE 程序）計(jì)算內(nèi)力及配筋。運(yùn)用TAT、SATWE 程序計(jì)算正截面配筋，一是可確保數(shù)據(jù)分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，二是能提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.2 軸壓比控制 從框架結(jié)構(gòu)與框-剪結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，柱的延性往往能有效疏散地震能量，提高框架的穩(wěn)固性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，砼柱延性的優(yōu)劣還取決于軸壓比的合理性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得知，軸壓比越大，柱的側(cè)移延性比越小。

在高軸壓比條件下要提高柱的延性，僅僅通過(guò)增加箍筋數(shù)量難以奏效。由此可見(jiàn)軸壓比的變化對(duì)柱的延性影響程度之深。尤其是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心和截面形心相互錯(cuò)位，砼柱肢在剪應(yīng)力的作用下往往比普通矩形壓剪構(gòu)件更早開(kāi)裂，使得構(gòu)件承受腹剪破壞。另外，短柱異形柱受到的脆性破壞更為嚴(yán)重，使得異形柱延性低于矩形柱。因此，為確保構(gòu)件質(zhì)量達(dá)標(biāo)，必須合理控制異形柱的軸壓比。

2.3 配筋構(gòu)造 按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選型計(jì)算后，要確保異形柱受力效果良好，還應(yīng)關(guān)注截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造。鑒于異形柱截面固有的特點(diǎn)，通常會(huì)在柱肢端部產(chǎn)生大的應(yīng)力，加之柱肢所受梁的應(yīng)力作用不均衡，應(yīng)力作用最明顯的肢端往往使柱肢存在偏心壓力，從而使肢端所承受的壓應(yīng)力更加明顯。鑒于此，在異形柱配筋階段，須將暗柱設(shè)于肢端。將2Ф14 的構(gòu)造縱筋布置在離端部厚度范圍內(nèi)，使箍筋同柱，對(duì)柱肢砼開(kāi)裂能夠起到限制作用，異形柱局部抗壓抗剪性能得以改善，同時(shí)可防止構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重的形變。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異形柱框架結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用在建筑施工領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)中，基于結(jié)構(gòu)受力特性掌握其破壞機(jī)理，優(yōu)化調(diào)整結(jié)構(gòu)形式，確保計(jì)算機(jī)分析及截面配筋計(jì)算正確無(wú)誤，才可提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

[1]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]邱棉偉.建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2008（08）.

[3]何洋.高層住宅建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)[A].2014年全國(guó)科技工作會(huì)議論文集[C].2014.