淺談多、高層住宅異形柱-框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 江（中航長沙設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410000）

淺談多、高層住宅異形柱-框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 江（中航長沙設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410000）

本文結(jié)合工程實(shí)例綜合分析了多、高層住宅異形柱-框剪結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、截面設(shè)計(jì)等，針對設(shè)計(jì)中可能遇到的問題給出了自己的做法。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；異形柱；短肢剪力墻

隨著商品住宅建筑在我國城市建設(shè)中的發(fā)展，對多、高層住宅建筑中的建筑設(shè)計(jì)布局有新的要求，小開間特別是臥室內(nèi)的外露框架柱已越來越不能被業(yè)主所接受，因?yàn)樗苯佑绊懙绞覂?nèi)家具的布置及空間的使用。異形柱-框剪結(jié)構(gòu)體系在住宅中的運(yùn)用，在很大程度上克服了普通框架與剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，受到了建筑師、業(yè)主的肯定和歡迎。以某住宅第21號樓為實(shí)例，本文綜合分析了多、高層住宅異形柱-框剪結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、截面設(shè)計(jì)等，針對設(shè)計(jì)中可能遇到的問題給出了自己的做法。

1 工程概況

該工程位于長沙市區(qū)。建筑層數(shù)為11+1層，底層為雜物間層，頂層為躍層式住宅，建筑高度為34.85m。為小高層住宅，建筑面積為6461.4m2。工程平面為“┖┓”形，長向43.16m，短向30.6m，每層兩單元。21號樓一個(gè)單元的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見圖1，剖面見圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程采用異形柱-框剪結(jié)構(gòu)體系，在單元中部電梯間布置剪力墻核心筒，樓梯位置設(shè)兩道普通剪力墻，在Q軸上設(shè)一道普通剪力墻，形成一個(gè)較完整的筒體，作為承受豎向荷載和抗側(cè)力的主要構(gòu)件；在平面外圍設(shè)置異形柱和適量的短肢剪力墻，通過框架梁與連梁和中心筒體連成一個(gè)整體，以構(gòu)成整棟建筑的結(jié)構(gòu)承力體系。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

圖2 1-1剖面圖

本工程為十三層異形柱-框剪結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅱ類場地土?？蚣?、剪力墻抗震等級均為三級。如何合理確定異形柱及（短肢）剪力墻的數(shù)量及墻肢的長度，有效地控制結(jié)構(gòu)位移，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，是本工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

本工程采用建研院PKPM系列的SATWE程序，此程序采用空間桿-墻組元分析方法，其計(jì)算模型符合實(shí)際情況，精度較高，計(jì)算結(jié)果合理、經(jīng)濟(jì)。

本工程根據(jù)以下兩種情況分別進(jìn)行了計(jì)算：

（1）第1～5點(diǎn)采用異形柱；

（2）第1～5點(diǎn)采用短肢剪力墻。

對兩個(gè)模型進(jìn)行對比、分析的部分結(jié)果詳見表1。

從表1可以看出，第二種模型的δ1、δ2也就是位移有了明顯的改善，特別是在地震荷載作用下，第一種模型時(shí)，δ2=1/ 1636，第二種模型減小到1/1966，柱傾覆彎矩百分比也小于50%，也就是墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。此外，建筑物的自振周期也由1.6796s降低為1.4666s。

對照高規(guī)[1]的規(guī)定，可知采用短肢剪力墻后，結(jié)構(gòu)整體剛度有所提高，周期、位移等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求，而且也同時(shí)滿足了長沙市建設(shè)委員會關(guān)于 《長沙市鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干規(guī)定》（以下簡稱《長規(guī)定》）的通知[2]。故以第二模型做為最后施工圖的計(jì)算模型。

表1 第21棟在地震、風(fēng)荷載作用下的部分計(jì)算結(jié)果

同時(shí)在計(jì)算分析時(shí)應(yīng)注意：

（1）文獻(xiàn)[3]指出，對于肢高寬比不大于4.0的異形柱，其長細(xì)比較大，變形后仍基本符合平截面假定，力學(xué)特性接近于柱。故計(jì)算時(shí)異形柱應(yīng)按第2、5、6類型截面來定義，而不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模輸入。這樣才能符合結(jié)構(gòu)實(shí)際的力學(xué)模型，最后求得合理的內(nèi)力和配筋。本工程第21棟異形柱按第2、5、6類型截面來定義。

（2）文獻(xiàn)[3]指出，從構(gòu)件力學(xué)特性上來說，短肢剪力墻的肢長與肢厚之比為5～8，更接近于剪力墻，故計(jì)算時(shí)將其作為剪力墻而不是柱來考慮應(yīng)更加合理。本工程短肢剪力墻的墻厚為200mm及250mm。

（3）在異形柱-框剪結(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，計(jì)算時(shí)應(yīng)按普通框架梁要求，控制混凝土的受壓區(qū)高度，其梁端負(fù)彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70～80%來解決，按強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁的延性進(jìn)行計(jì)算。本工程把連梁剛度折減系數(shù)為0.7和0.4分兩種情況計(jì)算，前者作為短肢剪力墻間的連梁計(jì)算結(jié)果，后者作為一般剪力墻間的連梁計(jì)算結(jié)果，以區(qū)別對待。

3 截面設(shè)計(jì)

3.1 異形柱

在異形柱-框剪結(jié)構(gòu)中，柱的延性對于柱耗散地震能量、防止框架倒塌，做為結(jié)構(gòu)抗震的第二到防線起著十分重要的作用。天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明[4]：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長比（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(gè)重要因素。作為異形柱延性的保證措施，必須嚴(yán)格控制軸壓比，同時(shí)避免高長比小于4（短柱）?，F(xiàn)行國家規(guī)范對此并無具體要求，可參考地方法規(guī)，如《長規(guī)定》的異形柱框架-筒體（或一般剪力墻）結(jié)構(gòu)中柱的軸壓比不應(yīng)大于0.75。本工程標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.7m，柱凈高2.2m，異形柱截面尺寸為200×550，250×550。柱高長比為4，最大的軸壓比為0.60，滿足要求。

3.2 短肢剪力墻

短肢剪力墻常用的配筋形式和構(gòu)造要求基本同一般剪力墻。即墻肢端部的邊緣構(gòu)件和墻肢中部部分，SATWE軟件也是按照此種形式給出計(jì)算結(jié)果。計(jì)算縱筋配置于邊緣構(gòu)件內(nèi)，墻肢的豎向分布筋布置于墻肢的中部區(qū)域。

振動臺模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明[5]，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等，是此類結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)位于建筑外邊緣及角點(diǎn)處的短肢剪力墻的延性抗震構(gòu)造措施 （本工程短肢剪力墻DZQ4的配筋如圖3），避免將“一”字形墻肢布置在建筑的外邊緣及角點(diǎn)處。針對此，我們更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施。例如適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處墻肢厚度，對底部外圍的小墻肢根據(jù)需要截面可加厚，并加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋，嚴(yán)格控制墻肢的軸壓比以提高墻肢的承載力和延性。同時(shí)，墻肢底部加強(qiáng)部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求。

圖3 DZQ4配筋

4 結(jié)語

總之，異形柱-框剪結(jié)構(gòu)此種結(jié)構(gòu)形式，有一定的市場需求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，通過合理的結(jié)構(gòu)布置，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面配筋，其結(jié)構(gòu)才能做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）.

[2]長沙市建設(shè)委員會關(guān)于《長沙市鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干規(guī)定》的通知.長建發(fā)[2003]194號.

[3]張晉，等.異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系.建筑結(jié)構(gòu)，2001，7.

[4]趙艷靜，等.鋼筋混凝土異形截面雙向壓彎柱延性性能的理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999，29（1）.

[5]程紹革，等.高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2000，16（1）.

TU973+.1

A

2095-2066（2016）05-0162-02

2015-12-25

李 江（1972-），男，高級工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。