異形柱與短肢剪力墻設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題

吳廣輝

[摘要]異形柱和短肢剪力墻以其更能滿足當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)需求的特點(diǎn)，越來越多的被使用，本文簡(jiǎn)單分析了異形柱與短肢剪力墻設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題，希望能給相關(guān)人士帶去靈感。

[關(guān)鍵詞]異形柱；短肢剪力墻；SATWE

人們對(duì)于生活水平的要求越來越高，所以對(duì)于住宅的審美要求也在不斷加強(qiáng)，所以為了減少住宅建筑柱楞出現(xiàn)次數(shù)過多，異形柱與短肢剪力墻近幾年被廣泛應(yīng)用在住宅建筑中。異形柱通常以工字型、十字型等五種形式出現(xiàn)在建筑中，比如L型的異形柱多為角柱，T型的異形柱多設(shè)計(jì)為邊柱。異形柱在不同高度的建筑中應(yīng)用體系也不相同，如框架斜撐結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于中高層。

由于異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)大多不規(guī)則，所以對(duì)于其進(jìn)行計(jì)算時(shí)常應(yīng)用可以進(jìn)行三維分析的軟件，多以TAT，SATWE為主，兩種計(jì)算方式原理不同，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行異形柱和短肢剪力墻的計(jì)算，大大少了計(jì)算的不確定性和準(zhǔn)確性，也可以準(zhǔn)確的應(yīng)用軟件，有效確保建筑的穩(wěn)定可靠。

1異形柱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1.1異形柱受力特點(diǎn)

異形柱的長(zhǎng)和厚度比例一般小于4，在異形柱受力時(shí)，其邊緣不平行，彎矩不垂直，就會(huì)影響中軸的形式，鋼筋混凝土的配比也會(huì)受到影響。不同形狀的異形柱的壓力承受度也各不相同，異形柱由于在柱內(nèi)會(huì)隨著受力產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此也就造成其延性較差。

1.2異形柱的動(dòng)力計(jì)算

異形柱的計(jì)算不常使用三維模型，多數(shù)時(shí)候應(yīng)用等效剪切模型。此模型主要利用質(zhì)量陣、阻尼陣、剛度陣，在加上各層樓板相對(duì)地面的水平加速度、速度向量、位移向量以及在水平地面運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度，這七個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異形柱的動(dòng)力計(jì)算。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)在異形柱受力后的彈性階段計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但是其前提是要得到異形柱的恢復(fù)力模型，但是由于計(jì)算恢復(fù)力曲線較為耗費(fèi)時(shí)間，所以在進(jìn)行異形柱動(dòng)力計(jì)算式多數(shù)情況下以直線取代恢復(fù)曲線。

1.3異形柱設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)分析部分

三維形式的異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)建形式太多，所以在計(jì)算內(nèi)力和變形時(shí)通常使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，以減輕人工負(fù)擔(dān)，也節(jié)省時(shí)間。在建立計(jì)算機(jī)模型時(shí)要注意模型的簡(jiǎn)化和合理，也要做到符合建筑條件以及實(shí)際情況，并且最好制作兩個(gè)不同的計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算，來確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。在異形柱的計(jì)算中最常使用的軟件是TAT以及SATWE，其中TAT是應(yīng)用空間桿+薄壁柱的計(jì)算模式，是典型的振型計(jì)算；SATWE是應(yīng)用空間桿+墻園的計(jì)算模式，是時(shí)程計(jì)算方式。

SATWE計(jì)算時(shí)是扣除梁的剛域后對(duì)梁進(jìn)行的計(jì)算，通過梁兩端的長(zhǎng)度來考慮異形柱的動(dòng)力計(jì)算模型。此軟件的輸入方式相對(duì)TAT較為簡(jiǎn)單，符合梁的就按照梁的條件輸入，符合異形柱的就按照異形柱條件輸入，符合剪力墻的就按照剪力墻的條件輸入，全部的構(gòu)件都輸入好以后，就可以進(jìn)行分析了。

1.4異形柱的正截面承載力計(jì)算

異形柱的界面是很獨(dú)特的存在，在受力時(shí)，一般對(duì)于其承載力都是應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于截面承載力的幾段一般是通過數(shù)值積分來進(jìn)行，對(duì)于正截面的承載力計(jì)算時(shí)要保證正截面保持穩(wěn)定，應(yīng)用應(yīng)力一應(yīng)變曲線來實(shí)現(xiàn)理想彈性模型，之后運(yùn)用數(shù)值積分進(jìn)行分析計(jì)算。

1.5異形柱的延性

由于地震作用具有較強(qiáng)的不確定性，要求結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下保持在彈性狀態(tài)是不經(jīng)濟(jì)的。既安全又經(jīng)濟(jì)的抗震設(shè)計(jì)允許結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下破壞嚴(yán)重，但不應(yīng)倒塌，抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是依靠彈塑性變形消耗地震能量。延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在強(qiáng)度沒有實(shí)質(zhì)性降低的情況下，通過大幅度塑性變形來耗散地震能量的能力。在強(qiáng)烈地震的作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，因此，應(yīng)重視異型柱結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的變形能力。

1.6異形柱設(shè)計(jì)的一些問題思考

異型柱的截面尺寸應(yīng)通過軸壓比，自振周期兩個(gè)參數(shù)來控制。一般需進(jìn)行多次試算方可確定。應(yīng)使以下幾個(gè)比值在合理范圍內(nèi)：（1）軸壓比可控制結(jié)構(gòu)的延性。（2）剪重比可控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。（3）剛度比可控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。（4）周期比可控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。（5）剛重比可用來減小重力二階效應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2短肢剪力墻設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

短肢剪力墻的高與厚比例一般在5～8之間，其形狀和異形柱相似的，如T型，但也有不同，如+型。對(duì)于軟件來說，在設(shè)定短肢剪力墻高度以及厚度時(shí)候要注意符合其范圍。

2.1短肢剪力墻受力特點(diǎn)

短肢剪力墻由于其高且細(xì)的構(gòu)造，延性比異形柱好，出現(xiàn)問題時(shí)通常是連梁先出現(xiàn)破壞，然后引起墻肢出現(xiàn)問題。短肢剪力墻的翼緣以及腹板在受力時(shí)會(huì)受到較大壓力，所以對(duì)于翼緣的建造尤為重要。

2.2短肢剪力墻的布置

在布置短肢剪力墻時(shí)要注意使結(jié)構(gòu)的力量傳輸路線明確，避免受力點(diǎn)集中于某一部分，要結(jié)合專業(yè)的建筑設(shè)計(jì)方案，讓短肢剪力墻既經(jīng)濟(jì)又能滿足建筑需求。短肢剪力墻在布置時(shí)要避免剪力墻的受力集中在一個(gè)點(diǎn)，要盡可能符合對(duì)稱原則，以此減小其扭轉(zhuǎn)周期。

2.3短肢剪力墻的動(dòng)力計(jì)算

短肢剪力墻在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)多用串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)模型來計(jì)算。此模型認(rèn)為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)擁有一個(gè)自由度，所以這個(gè)體系的動(dòng)力特性就是n個(gè)振型有n個(gè)自振周期。

2.4短肢剪力墻的設(shè)計(jì)原則

短肢剪力墻在設(shè)計(jì)方面與一般的剪力墻相同，因此要計(jì)算好短肢剪力墻的正面承載力，短肢剪力墻的剪力值設(shè)計(jì)，也要保證符合規(guī)范，避免短肢剪力墻使用壽命過短。

2.5短肢剪力墻設(shè)計(jì)中的軟件計(jì)算

在不考慮剪切變形對(duì)于短肢剪力墻的影響前提下，以薄壁理論為基礎(chǔ)來計(jì)算，但由于在實(shí)際計(jì)算時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際與假設(shè)不符，所以短肢剪力墻多數(shù)通過SATWE軟件來進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，要考慮到短肢剪力墻各層之間的剛度以及各層間自由度，然后以剛度矩陣模型進(jìn)行分析，以此計(jì)算出位移以及各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力。

2.6短肢剪力墻的設(shè)計(jì)原則

（1）由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特殊性，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)較早參與建筑方案的確定，完畢后即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。（2）確定短肢剪力墻體系構(gòu)件尺寸和材料。（3）荷載計(jì)算，包括樓面恒載、活載、填充墻荷載計(jì)算、風(fēng)荷載和地震作用計(jì)算。（4）結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算和側(cè)移驗(yàn)算。（5）內(nèi)力組合。（6）截面設(shè)計(jì)，包括梁、柱、墻設(shè)計(jì)，樓板設(shè)計(jì)，樓梯設(shè)計(jì)。（7）計(jì)算合理性分析，計(jì)算機(jī)分析和人工判斷同時(shí)兼顧。

3結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段我國(guó)關(guān)于異形柱和短肢剪力墻的應(yīng)用越來越廣泛，但是異形柱和短肢剪力墻的設(shè)計(jì)中，在計(jì)算部分卻相對(duì)薄弱，準(zhǔn)確度和速度性都不算很好。在異形柱和短肢剪力墻的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者既要保證對(duì)于二者的特性完全了解，也要保證可以準(zhǔn)確使用設(shè)計(jì)所用軟件流程，如此才能設(shè)計(jì)出最適合的建筑結(jié)構(gòu)。