異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

么洪勇

摘要：本文主要就異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些問題進(jìn)行了分析探討，異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應(yīng)用。本文提出了一些自己的看法，供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

關(guān)鍵詞：異形柱;短肢剪力墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計;抗震性能

前 ?言

"短肢剪力墻結(jié)構(gòu)"和"異形柱框架結(jié)構(gòu)"型式之所以發(fā)展，是因為人們對住宅平面與空間的要求越來越高.這兩種結(jié)構(gòu)型式很大程度上改進(jìn)了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑平面劃分上的缺點，在建筑物設(shè)計時，使建筑師能更靈活地設(shè)計出容易使廣大住戶所接受住宅戶型.雖然這兩種結(jié)構(gòu)型式的出現(xiàn)對建筑專業(yè)來說是一大進(jìn)步，但對于結(jié)構(gòu)專業(yè)來說，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架結(jié)構(gòu)都屬于抗震比較不利的結(jié)構(gòu)，如何去合理設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的安全，是結(jié)構(gòu)工程師所需要解決的問題。

一、異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析

1.異形柱結(jié)構(gòu)形式及其計算

異形柱結(jié)構(gòu)型式有異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架一核心筒結(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗表明：異形柱框架結(jié)構(gòu)的破壞特征與矩形柱框架結(jié)構(gòu)類似，底層柱的上下端為柱的危險截面，破壞時異形柱及梁柱節(jié)點均無明顯裂縫，異形柱長細(xì)比較大，滯回曲線比較豐滿，具有較好的變形能力和層間變形能力。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，對異形柱結(jié)構(gòu)按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計算時不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模計算。當(dāng)采用不具有異形柱單元的空間分析程序計算異形柱結(jié)構(gòu)時，可按薄壁桿件模型進(jìn)行內(nèi)力分析。對異形柱框架結(jié)構(gòu)，一般宜按剛度等效折算成普通框架進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。當(dāng)剛度相等時，矩形柱比異形柱的截面面積大。

2.異形柱的受力性能其軸壓比控制

試驗研究表明：異形柱截面的延性主要與軸壓比，箍筋的直徑與間距，高長比 （ 即柱凈高與截面肢長之比 ） 等因素有關(guān)。增大縱筋直徑或增大箍筋直徑，減小箍筋間距都能提高異形截面雙向壓彎柱的截面曲率延性，箍筋間距的影響遠(yuǎn)大于箍筋直徑的影響，加密箍筋可以顯著地提高截面延性。軸壓比大小是決定異形截面雙向壓彎柱破壞特征的重要指標(biāo)。隨著軸壓比增大，截面的曲率延性下降，截面由延性較好的受拉破壞發(fā)展為界限破壞受壓破壞。這時是延性最差的情況，在設(shè)計中應(yīng)予以足夠的重視。異形柱的延性比普通矩形柱的差。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(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)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(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異性柱的變形能力比普通矩柱降低。作為異形柱延性的保證措施，必須嚴(yán)格控制軸壓比，同時避免高長比小于 4。異形柱是從短肢剪力墻向矩形柱過渡的一種構(gòu)件，短肢截面的肢厚比（即肢長/肢寬）不大于4。《高規(guī)》（JGJ3-91） 第 5.3.4 條，“抗震設(shè)計時，小墻肢的截面高度不宜小于 3bw”，“一、二級剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于 0.6”。

二、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析

1.短肢剪力墻布置及其計算

由于短肢剪力墻的抗側(cè)剛度相對較小，設(shè)計時宜布置適當(dāng)數(shù)量的長墻 （ 相對短肢而言 ） 或利用電梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)計算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。在 TAT、TBSA 中，只需按剪力墻輸入即可，而且 TAT、TBSA 更適合用來計算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。TAT、TBSA 所用的計算模型都是桿件、薄壁桿件模型，其中梁、柱為普通空間桿件，每端有 6 個自由度，墻視為薄壁桿件，每瑞有7個自由度（多一個截面翹曲角，即扭轉(zhuǎn)角沿縱軸的導(dǎo)數(shù)），考慮了墻單元非平面變形的影響，按矩陣位移法由單元剛度矩陣形成總剛度矩陣，引入樓板平面內(nèi)剛度無限大假定減少部分未知量之后求解，它適用于各種平面布置，未知量少，精度較高。但是，薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時變形不協(xié)調(diào)。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于墻肢較短，本身較高細(xì)，更接近于桿件性能，所以，用 TAT、TBSA 計算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地反映結(jié)構(gòu)的受力，精度較高。對設(shè)有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，框支剪力墻是受力面向受力點過渡，由于薄壁桿件的連接處是點連接，所以用薄壁桿件模型不能很好地處理位移的連續(xù)和力的正確傳遞。因此，帶有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用墻元模型軟件進(jìn)行計算。

2.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震問題

建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂;在地震作用下，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷截，破壞嚴(yán)重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重;在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對減少，使連梁受剪破壞的可能性增加，因此設(shè)計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)，更應(yīng)加強概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施。例如：短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng);適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度，加強墻肢端部的暗柱配筋，嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比不超過 0.6，以提高墻肢的承載力和延性。高層結(jié)構(gòu)中連梁是一個耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會使結(jié)構(gòu)的延性降低，對抗震不利，設(shè)計時應(yīng)注意對連梁進(jìn)行“強剪弱彎”的驗算，短肢剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結(jié)，連梁宜布置在各肢的平面內(nèi)，避免采用“一”字形墻肢;短肢剪力墻底部加強部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求。

三、結(jié)束語

現(xiàn)代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應(yīng)用。目前，現(xiàn)行國家規(guī)范或規(guī)程中有關(guān)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的條款不太明確，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計中常會遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題，需要設(shè)計人員積累經(jīng)驗，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計。本文以上提出了一些自己的觀點，以供此類工程設(shè)計人員參考借鑒。

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