短肢剪力墻與框架、異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對比分析

武艷濤

（西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710055）

1 短肢剪力墻、框架、異形柱三種結(jié)構(gòu)的異同

1.1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3－2010）中第7.1.8條規(guī)定:“短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度與厚度比的最大值大于4但不大于8的剪力墻”。常用的有T型、L型、十字型、Z型和一字型等，此種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是:

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）根據(jù)抗側(cè)力的需要，墻的數(shù)量可多可少，肢長可長可短，可通過不同尺寸及布置來調(diào)整剛度的中心位置，布置靈活，較易滿足剛度和強(qiáng)度要求；

3）連接各墻的梁，隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)，形式上較為隱蔽。

1.2 框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)是指由梁和柱以剛接或者鉸接相連接而成，構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的房屋墻體不承重，僅起到圍護(hù)和分隔作用。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是空間分割靈活，可以較好地配合建筑平面布置，平面開間較大，梁、柱構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，便于采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，施工周期短。但框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中顯著，抗側(cè)力性能較差，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)水平位移較大，易造成嚴(yán)重的非結(jié)構(gòu)性破壞，不適宜建造高層建筑。

1.3 異形柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149－2006）中規(guī)定:“異形柱結(jié)構(gòu)是指截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm”。它包括異形柱框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，常用的有L型、T型和十字型。此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為

1）一般異形柱有1～2根對稱軸或沒有對稱軸，T型、L型柱在不同的方向上剛度不同，側(cè)向力也就不同，因此，在不同的方向上，各柱分配到的地震作用大小也不同；

2）異形柱處在雙向壓彎的受力狀態(tài)下，一般中和軸位置和彎矩作用平面不垂直，和截面邊緣也不平行，影響中和軸位置的因素有荷載的形式和大小、柱截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等；

3）異形柱的剪切中心與截面中心通常不重合，受力時在柱肢內(nèi)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，剪應(yīng)力的存在使異形柱柱肢混凝土先出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致脆性破壞，因此異形柱的延性較矩形柱差；

4）異形柱的破壞形態(tài)有彎曲破壞、小偏心破壞、剪壓破壞。

因此，在工程設(shè)計(jì)時異形柱應(yīng)雙向布置，結(jié)構(gòu)的平面形狀應(yīng)簡單、對稱、規(guī)則，質(zhì)量、剛度分布均勻，盡量使房屋的質(zhì)量中心和剛度中心重合，以減小地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；異形柱結(jié)構(gòu)體系沿豎向的質(zhì)量分布和剛度變化均勻，避免過大的外挑、內(nèi)收，造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度突變，產(chǎn)生薄弱層；嚴(yán)格按照規(guī)范要求控制軸壓比，防止異形柱出現(xiàn)小偏壓破壞，提高其變形能力。此外，異形柱宜選用等肢型結(jié)構(gòu)，以保證異形柱結(jié)構(gòu)具有較好的整體受力性能，當(dāng)采用不等肢長異形柱時，肢長肢厚不應(yīng)相差較大。

隨著人們對建筑平面與空間的使用要求越來越高，隱梁隱柱的設(shè)計(jì)也越來越受到住戶的歡迎。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)既具備了框架結(jié)構(gòu)所不具備的隱梁隱柱的優(yōu)點(diǎn)，又克服了異形柱結(jié)構(gòu)抗震性能差的缺點(diǎn)。因此，越來越受到住戶的喜愛，并廣泛地應(yīng)用于多層及小高層建筑中。

2 工程應(yīng)用

某大學(xué)生公寓，地處西安市戶縣，平面為矩形，長43.2m，寬16.3m，首層高度為4.05m，標(biāo)準(zhǔn)層高為3.6m，共7層，總高度為26.87m，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7°。針對該工程進(jìn)行三種結(jié)構(gòu)方案比較，分別建立短肢剪力墻、框架和異形柱結(jié)構(gòu)形式:方案A為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案；B為框架結(jié)構(gòu)方案；C為異形柱結(jié)構(gòu)方案，三種方案均采用C35混凝土。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示，框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖2所示。

2.1 計(jì)算結(jié)果分析

用SATWE軟件對這三種方案進(jìn)行計(jì)算分析，短肢剪力墻間的梁作為連梁或框架梁計(jì)算，經(jīng)過試算方案C的技術(shù)指標(biāo)及配筋均不能滿足規(guī)范要求，此工程首先排除C方案。此處僅給出方案A、B的經(jīng)濟(jì)計(jì)算對比結(jié)果，兩種結(jié)構(gòu)方案在X向、Y向的最大節(jié)點(diǎn)位移、最大層間位移角及最小剪重比如表1所示，計(jì)算結(jié)果技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在地震荷載和風(fēng)荷載作用下的位移如圖3所示，內(nèi)力圖如圖4所示，框架結(jié)構(gòu)在地震荷載和風(fēng)荷載作用下的位移如圖5所示，內(nèi)力圖如圖6所示。

圖1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

圖2 框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

表1 兩種方案計(jì)算結(jié)果

圖3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的位移

從表1及圖3、圖5可以看出，結(jié)構(gòu)在相同布置下，方案A的最大位移均小于方案B；由圖4和圖6可知，兩種結(jié)構(gòu)體系的受力形式相似，相互印證了彼此的合理性、適用性。從表1還可以看出，在結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能上，方案A也優(yōu)于方案B，即短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向剛度優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。從技術(shù)指標(biāo)可以看出，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益比較分析

一般都會認(rèn)為剪力墻結(jié)構(gòu)造價(jià)要比框架貴，為此預(yù)算師對這兩種結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及工程應(yīng)用安全的前提下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析。計(jì)算時兩種結(jié)構(gòu)的層高、填充墻、樓面荷載（包括板厚）等各種情況均相同。短肢剪力墻與框架結(jié)構(gòu)混凝土用量數(shù)據(jù)如表2所示，鋼筋用量數(shù)據(jù)如表3所示，兩種結(jié)構(gòu)體系在次梁及樓板上的配筋和混凝土用量相差無幾，可以忽略，因此僅對一個標(biāo)準(zhǔn)層的框架梁和豎向構(gòu)件進(jìn)行對比分析。

圖4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力

圖5 框架結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的位移

從比較可以看出，在材料消耗方面短肢剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)要經(jīng)濟(jì)很多，受到了住戶的肯定，滿足了住戶隱梁隱柱的要求，提高了建筑有效使用面積及工程經(jīng)濟(jì)效益，本工程最終采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)并使用。

圖6 框架結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力

表2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)一個標(biāo)準(zhǔn)層的梁、柱混凝土用量

表3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)一個標(biāo)準(zhǔn)層的梁、柱鋼筋用量

3 結(jié)束語

短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足規(guī)范規(guī)定的各種指標(biāo)前提下，合理布置剪力墻的數(shù)量和位置，并力求簡單、對稱、規(guī)則，同時采取合理的構(gòu)造措施以保證結(jié)構(gòu)的受力性能。

結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，在滿足規(guī)范規(guī)定的首要前提下進(jìn)行多方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對比，找出更為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，且能較好地滿足建筑使用功能要求的結(jié)構(gòu)形式。

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