淺析異形柱與短肢剪力墻結構設計

【摘要】隨著國民經濟的不斷發展，當前建筑工程設計已成為工程項目施工建設中不可缺少的工程環節，是保證工程質量和建筑物使用功能有效措施。近年來，隨著科學技術的發展，建筑行業也邁進了發展的新階段，其在發展中促進了其他行業的發展與繁盛。科學技術的日新月異為目前建筑施工工藝和設計注入了新的生機與活力，同時也為其設計提出了更高要求。異形柱與短肢剪力墻結構作為建筑行業的新概念、新結構而受到人們的關注與完善。本文就異形柱與短肢剪力墻結構的設計要點進行了分析，并提出了相應的管理措施。

【關鍵詞】異形柱；短肢剪力墻；結構設計

0.前言

隨著當前社會發展中，各種新的結構形式廣泛的應用在房屋建設中，成為房屋設計工作要點。結構設計在目前的工程項目中已成為保證建筑結構質量安全的主要衡量標準，更是當前建筑行業進行施工指導和規范。從結構受力角度來說，異形柱和短肢剪力墻體系在設計中通過綜合分析與應用，為施工技術和應用措施的選擇提供了必要基礎。在當前的建筑結構設計中，以框架結構為主的建筑結構形式應用日趨廣泛，這就為異形柱結構的設計提供了發展的前提與動力。在當前的建筑工程項目中，傳統的結構形式與施工工藝已無法滿足人類日益變化的高精神需求與物質需求，因此在工作中采用先進的結構形式進行設計是當前建筑工程建設的主要手段，也是提高工程質量和功能的核心。在設計中，逐步提出了一種平立面布置近于框架結構，柱的截面形式又不拘泥于矩形的新方式，從而為建筑工程項目的設計提供了指導依據。

1.異形柱結構型式及其計算

異形柱結構隨著人們對住宅，特別是高層住宅建筑平面與空間結構要求的逐步提高，原來的普通框架結構中，由于剪力墻結構對建筑空間造成嚴重的限制影響，而逐步無法滿足人們的大空間生活需求。因此，在工程項目中對剪力墻結構進行優化設計變得更加重要，其通過在原有的剪力墻基礎上吸收框架結構的優點而形成了一種新的住宅觀念和高層住宅建筑結構形式。

異形柱結構形式在當前建筑工程施工過程中是應用的重點，是在承受能力能夠滿足稱壓力的情況下形成的，截面幾何形狀為L形、T形、和十字形。混凝土異形柱框架結構：是以異形柱代替一般框架柱，和梁剛性連接組成的承受豎向和水平作用的結構。其在設計的過程中是基于建筑安全為基礎前提進行綜合設計和分析，從建筑結構整體性和安全性進行統一的分析與設計，能夠在使用的過程中承受不同的壓力和結構力，是保證建筑工程質量的關鍵。

2.短肢剪力墻結構及其計算

短肢墻結構在當前建筑工程的應用中主要應用在小高層住宅建筑中，是住宅建筑施工中常見的基礎措施。短肢剪力墻結構是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構。在設計中的時候，通過結合當前社會中的科學技術手段和實際工作經驗進行綜合分析與設計，在當前設計和應用的過程中是結合當前的實際情況進行綜合的計算和分析，其計算模型、配筋方式和構造要求均同于普通剪力墻結構。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構。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，每端有７個自由度（多一個截面翹曲角，即扭轉角沿縱軸的導數），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、結構布置復雜（如有轉換層）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，當結構布置復雜時變形不協調。而短肢剪力墻結構由于肢長較短，本身較高細，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計算短肢剪力墻結構能較好地反映結構的受力，精度較高。同時在短肢剪力墻設計中，必須要滿足以下條件：抗震設計時，短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結構總底部地震傾覆力矩的 50%。當短肢墻較少時，如短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩小于結構總底部地震傾覆力矩的 15%～ 40%，則可以按普通剪力墻結構設計。下限規范沒有規定，用戶可以靈活掌握。

3.異形柱的受力性能及其軸壓比控制

某大學的試驗研究結果表明：異形柱的延性比普通矩形柱的差。其在設計的過程中軸壓比、高長比（即柱凈高與截面肢長之比）是影響異形柱破壞形態及延性的兩個重要因素。

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，在受力狀態下，各肢產生翹曲正應力和剪應力。由于剪應力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現裂縫，即產生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。

4.短肢剪力墻結構中轉換層的設置高度及框支柱

在現代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業用房需較大空間，就得通過轉換層來實現。在短肢剪力墻結構中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。

在短肢剪力墻應用的過程中，是通過各種相應的規范對框支柱的內力、軸壓比、配筋等的要求都嚴于普通柱。其在剪力墻和異形柱設計的過程中，是采用當前相應的社會技術手段綜合分析和管理。框支剪力墻結構當轉換層位置較高時，如何定義框支柱，是當前建筑設計的關鍵，其涉及到安全與經濟的問題。根據圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當轉換層位置較高（如高位轉換）時，除轉換層附近樓層的內力較復雜外，下面的結構受到的影響很小，應與普通框架結構基本一樣，不必按框支柱處理。建議當轉換層位置不超過五層時，轉換層下的各層柱均按框支柱處理；當轉換層位置超過五層時，轉換層下相鄰的五層柱按框支柱處理，而其它層的柱按普通框架柱處理。由于高位轉換對抗震不利，所以結構設計中應盡量避免高位轉換。

5.短肢剪力墻結構的抗震加強措施

抗震設計時，短肢剪力墻的抗震等級應比規定的剪力墻的抗震等級提高一級采用。抗震設計時，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產生的軸力設計值的軸壓比，抗震等級為一、二、三時，分別不宜大于0.5、0.6和0.7；對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，其軸壓比限值相應降低0.1。抗震設計時，除底部加強部位應條調整剪力設計值外，其它各層短肢剪力墻的剪力設計值，一、二級抗震等級應分別乘以增大系數1.4和1.2。抗震設計時，短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%。

6.結束語

近年來，隨著人們對建筑結構要求的不斷提高，各種建筑結構形式不斷的出現在人們眼前，為各個企業和施工單位的工程設計方式的提高奠定了發展的基礎。短肢剪力墻和異形柱結構廣泛的被應用在當前的建筑工程之中，成為建筑工程項目設計與研究重點。 [科]