高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)受力分析與設計探討

郭東亮　馬彥飛

隨著住宅樓宇尤其是高層住宅的需求量的增加，外露梁和普通剪力墻的原有框架結(jié)構(gòu)嚴重制約和分離了建筑空間，無法滿足人們對住宅的空間要求，因此，在本有的剪力墻打下的基礎之上，取其結(jié)構(gòu)與框架的好處，逐漸的開發(fā)出了合適居民新住宅的理念高層住宅結(jié)構(gòu)方式，即是“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”與“異形柱框架結(jié)構(gòu)”。此上的新型結(jié)構(gòu)避免了普通構(gòu)造之中的不足之處，取得了建造師一致好評，也受到了居民和開發(fā)商們的歡迎。以下將對以上提到的新型高層住宅的結(jié)構(gòu)受力特征，結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)造需求展開分析。

1　短肢剪力墻的構(gòu)造分析

短肢剪力墻的構(gòu)造需要截面的橫截面低于300mm，墻肢長度是厚度的 5～8 倍，剪力墻的結(jié)構(gòu)常用分為“T”字型，“十”型，L 字型，“一”字型，“折線”型與“Z”字型這樣的結(jié)構(gòu)型式特點有：

（1）與建筑平面圖相結(jié)合，垂直構(gòu)件采用隔墻的位置進行布置，這與建筑物的功能基本上沒有沖突。

（2）根據(jù)側(cè)向力的需要，壁的數(shù)量可以更多或更少，并且肢體的長度可以長或短，主要依據(jù)其抗側(cè)力的需求進行改動，剛度中心的位置需要根據(jù)不一樣的大小和布局來進行改動。

（3）可以靈活的布置，其方案相對來講也比較多，同時方案也比較的簡單易懂。

（4）連接處的大梁可根據(jù)墻肢的位子定于間隔墻的豎平面內(nèi)，可隱藏。

（5）依據(jù)建筑物的抗側(cè)剛度需求，運用中心點的剪力墻，將此構(gòu)造成重要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，可比較容易滿足強度與剛度的需求。

對于短肢剪力的墻結(jié)構(gòu)計算與設計，由于這是剪力墻進行大開口從而形成的，因此基本上和普通的剪力墻構(gòu)造分析相似，可以運用空間桿-墻的組元分析法或者是三維桿-系簿壁柱的空間分析法，前一種方式如清華大學TUS或者是建研院TBSSAP、SATWE，廣東省的建院SSW等等，后一種方式有廣東的建筑設計院廣廈的CAD的SS的模塊亦或是建研院TAT和TBSA。而這當中的空間桿壁成分分析方法的計算模型更符合實際情況，準確度更高。雖然三維柱式壁樁的空間分析程序早期使用并有更廣泛的應用，但對于帶有較長壁墩的短肢剪力墻應采用空間桿壁構(gòu)件程序進行校準。

經(jīng)過以上分析得出，按照書籍《高層建筑結(jié)構(gòu)設計和施工規(guī)范》對其構(gòu)造和截面進行設計，與異形柱的結(jié)構(gòu)相對比，短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)其理論和實踐都比較成熟，但是，這類結(jié)構(gòu)的設計依舊需要對以下一些方面重視：

（1）因為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比相對較小，因此其抗側(cè)剛度相對較小。因此，應在設計中設置一定數(shù)量的長墻，或者應使用電梯和樓梯間形成相對剛性的內(nèi)筒從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，與此同時也形成兩個抗震設防；

（2）短肢剪力墻構(gòu)造其抗震弱點地方是建筑物外邊角的墻肢。當存在扭轉(zhuǎn)效應時，現(xiàn)有的翹曲變形會加劇，墻肢將首先開裂，因此應對墻體的抗震結(jié)構(gòu)應加強。比如降低軸壓比等措施，增加縱筋與箍筋的配筋率；

（3）在水平力作用下的高層短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出彎曲變形，而底部周圍的小墻肢受到較大的扭轉(zhuǎn)剪力與垂直荷載，有的模型試驗反映了外層墻肢進產(chǎn)生開裂，因此應增加周壁墻肢的配筋量與厚度，以增強小壁墻肢的延展性和抗震性能。短肢壁需要在兩個方向上進行連接，以避免產(chǎn)生被孤立的“一”形墻肢；

（4）墻肢的分布應盡可能均勻，以使建筑物的剛度中心和形心應盡可能接近。如有必要，需使用長肢墻調(diào)節(jié)剛度中心；

（5）在高層的結(jié)構(gòu)中，連梁是耗能部件。在短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)中，墻肢的剛度相對降低，連接各個墻肢的梁與普通的框架梁相似，這與一般的剪力墻連梁不同。在計算的總體信息中，不應該降低連梁的剛度，以減少設計的內(nèi)力，應該按照普通的框架梁去就，對混凝土壓區(qū)的高度進行控制，其中梁端負彎矩鋼筋可根據(jù)塑性調(diào)幅的70～80%進行解決，按照強剪弱彎的原理，對強柱弱梁其延性需求展開計算。

2　異形柱的結(jié)構(gòu)分析

異型柱結(jié)構(gòu)指的是柱肢柱肢寬度和截面高度之比為2-4，它是相對于正方形和矩形柱的異形柱。其包含了異形柱框架與異形柱框架的剪力墻。最常使用的有“L”字型，“T”字型和“十”字型。這些結(jié)構(gòu)其特點為：

（1）因為橫截面的特殊性，平面內(nèi)外墻肢的兩個方向的剛度差異比較大，從而導致各個方向的剛度達不到不一致，各個方向的承載能力也產(chǎn)生較大的差異。

（2）針對長柱（H/h＞4）可不考慮到剪切變形產(chǎn)生的影響，控制軸壓相對較小的時候，其受力較明確，變形性能也比較好。但是相對于短柱（H/h＜4），剪切變形則會占一定的比例，構(gòu)件的變形能力也隨之下降。異形柱一般在短柱的范圍內(nèi)，并且屬于薄壁構(gòu)造，即使產(chǎn)生了延性彎曲形的破壞，也會因為截面曲率M/EI或者εcu/χ（εcu是混凝土的極限壓應變，χ是截面受壓區(qū)高度）比較小，使得彎曲變形的性能有限，延性也比較差。

（3）由于異形柱是多肢的，它們的剪切中心傾向于超出平面范圍，并且當施加受力時，它們必須依靠柱各柱肢交點處核心混凝土協(xié)調(diào)變形與內(nèi)部力。此變形協(xié)調(diào)將使得各柱肢內(nèi)都有相當大的剪應力與翹曲應力，并且此剪應力存在，會使得柱肢易極易產(chǎn)生裂縫，從而使各肢核心混凝土處于一個三向剪力的狀態(tài)，進而使異形柱比較普通的截面柱變形能力下降，脆性破壞較明顯。

（4）尤其是異形柱與矩形柱不同之處在于它具有單純翼緣柱肢的受壓情況，并且其延展性更差。根據(jù)國內(nèi)外大量實驗數(shù)據(jù)與理論進行分析，異形柱其破壞模式分為：彎曲破壞，壓剪破壞與小偏壓破壞等等。對破壞的形態(tài)產(chǎn)生影響的因素包括荷載角，剪跨比與軸壓比。箍筋的比率，箍筋間距S和縱筋的長度D之比等等。因為受力性的復雜性質(zhì)，設計必須要依靠可靠計算與必要結(jié)構(gòu)的措施從而確保其強度與延展性。

在對異形柱結(jié)構(gòu)進行設計的時候，除了要對高規(guī)中對的結(jié)構(gòu)布置產(chǎn)生的要求進行滿足外同時還應該注意以下幾個方面問題：

（1）異形框架的計算

因為橫截面特殊性，當水平力作用于柱截面的對稱軸時，彈性分析計算出的翹曲應變力較小。此時，偏壓構(gòu)建承受了水平力，它仍然可以被看作是平面截面假設分析，按照混凝土設計進行規(guī)范的計算，尤其是框——筒，框——剪的構(gòu)造中，框架柱僅承受6度及以下的I類和II類場地的水平風荷載的其中一小部分。按照一般的偏壓柱進行計算的錯誤較少。在這種情況下，異形柱可以用剛度相同的矩形柱代替，然后通過程序進行分析。但是，如果水平力較大而水平力作用于非主軸方向，則翹曲應力將不可以被忽視。如果按照平截面假定存在較大誤差，則應進行異型柱框架結(jié)構(gòu)的有限元分析以確定內(nèi)力和鋼筋的位置和尺寸。在計算內(nèi)力與計算配筋的時候，應選擇具有異形柱計算的功能計算軟件。有一些軟件不存在異形柱的截面形式。假使要用于計算，首先必須將它們轉(zhuǎn)換成具有相同剛度和其他區(qū)域的矩形柱，并且應該進行總體分析以獲得異形截面設計之前的雙向內(nèi)力列。工作量是非常大的。而且截面設計的可靠性普遍不高。

（2）軸壓比的控制

對于框架結(jié)構(gòu)，框——剪的結(jié)構(gòu)，柱的延性對耗散地震中產(chǎn)生的能量，阻止框架倒塌，有著相當重大的作用，并且軸壓比同事影響著混凝土柱的延性。經(jīng)過試驗的結(jié)構(gòu)分析得出，柱側(cè)移的延性比根據(jù)軸壓比值增高而急劇的下降。

根據(jù)高軸壓比值的情況，對于提高柱延性，增加其箍筋的用量作用已經(jīng)微乎其微，因此，軸向壓縮比的控制對于異形柱的延展性有著非常大的影響，特別是異形柱的結(jié)構(gòu)剪切力，剪切力的中心和剪切力的橫截面中心彼此不重合，剪切應力使夯柱肢優(yōu)先于普通的矩形壓減組件顯示裂縫并且發(fā)生腹部剪切破壞。另外，異型柱大多是短柱，這些都將直接導致了異形柱的脆性表現(xiàn)明顯，使得異形柱延性大多比矩形柱低，因此對異形柱軸壓比值需要進行嚴格的控制。

（3）配筋的構(gòu)造

在正確結(jié)構(gòu)選型和核算之后，截面內(nèi)部的鋼筋構(gòu)造也將對異形柱的受力性能產(chǎn)生重大影響。因為異形柱的截面特征，柱肢的端部則會產(chǎn)生較大的應力，加之梁作用于柱肢上應力不均勻，通常情況下越靠近肢端的應力越大，對柱肢產(chǎn)生偏心壓力，從而進一步的加大了肢端的壓應力。因此在對異形柱進行配筋時，應該在肢端處設暗柱，暗柱外排的鋼筋根據(jù)計算之后而定。離端部的厚度應該根據(jù)范圍設2φ14的結(jié)構(gòu)縱筋，箍筋同柱，即可以限制柱肢混凝土裂痕開展，增強異形柱的局部變形的能力和抗壓抗剪的強度。柱的箍筋不但可抗剪，也可以約束混凝土的變形，增強了它的延展性。異形柱因為不容易變成多肢的復合箍，因此其配筋率將只能通過加大箍筋的直徑與加密間距進行實現(xiàn)。在相同的配箍率下，箍筋的直徑大，延性的指標越好，因此箍筋可用φ8、φ10，它的間距會比普通柱的箍筋間距窄。

3　小結(jié)

總而言之，短肢的剪力墻構(gòu)造和異形柱的框架構(gòu)造都具有巨大的市場需求。根據(jù)其應力特點，必須掌握其各種損傷機理，選擇合適的結(jié)構(gòu)，正確理解計算機分析和加固截面的配筋是確保結(jié)構(gòu)可靠和安全施工的唯一途徑。

[1]孔令倉.短肢剪力墻的構(gòu)造布局與落地墻抗震性等能探究與分析[D].西安建筑科技大學，2014.

[2]羅政楠.RC異形柱框架——剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性分析[D].西安建筑科技大學，2013.

[3]郝省玲.對L型的短肢剪力墻其抗剪性能的探究與分析[D].長安大學，2012.