高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構受力分析與設計

盧艷秋LU Yan-qiu；盧鐵鋼LU Tie-gang

（①沈陽市規劃設計研究院，沈陽 110004；②沈陽市城市安居置業有限公司，沈陽 110033）

（①Shenyang Urban Planning Design &Research Institute，Shenyang 110004，China；②Shenyang City Housing Real Estate Co.，Ltd.，Shenyang 110033，China）

0 引言

隨著經濟的發展，生活水平的提高，在住宅環境、格局、空間，以及高層住宅平面與戶型等方面人們提出了更高的要求。在住宅空間需求逐步提高的現代社會，以露梁露柱、普通剪力墻結構為主的傳統框架結構在如今的工程實踐中已不多見。為了進一步適應人們新的住宅觀念，滿足人們對高層住宅結構型式的需要，設計師基于傳統剪力墻的優點，設計出更符合現代住宅要求的“短肢剪力墻結構”和“異形柱框架結構”型式。這兩種結構憑借自身的優勢，彌補了普通框架與普通剪力墻結構的不足，進而受到建筑師的認可和關注。為了進一步推廣這種構造形式，筆者將對這兩種結構型式進行細致的分析。

1 短肢剪力墻結構

工程中常見的“T”型、“L”型、“十”字型、“Z”型、折線型、“一”字型等類型的短肢剪力墻，其截面厚度一般不到300mm，各肢截面高度與厚度之比的最大值在4～8 之間。

對于這種結構型式來說，其特點主要表現為：

①利用間隔墻位置，對豎向構件進行布置，不會對建筑的使用功能構成影響；②墻的數量具有一定的隨機性，同時肢長沒有限制，主要根據抗側力的實際需要來決定；③布置靈活，多種方案可供選擇，并且樓蓋方案比較簡單；④對于連接各墻的梁，可以在間隔墻豎平面內設置墻肢位置，并且可以隱蔽；⑤根據建筑平面實際的抗側剛度，利用中心剪力墻，形成主要的抗側力構件，進而在一定程度上滿足剛度、強度的需要。

在理論與實踐方面，短肢剪力墻結構較異形柱結構來說要較為成熟，但是，在設計這種結構的過程中，以下方面需要給予高度的關注。

①與普通剪力墻結構相比，由于短肢剪力墻結構的抗側剛度比較小，因此在設計過程中，需要適當增加長墻的數量，或者利用電梯，以及樓梯間形成較大剛度的內筒，進而在一定程度上避免設防烈度下結構產生大的變形；②對于短肢剪力墻結構來說，建筑平面外邊緣的角部處的墻肢是抗震的薄弱部位，當出現扭轉效應時，已有的翹曲變形會變得更加嚴重，進而在一定程度上造成墻肢首先發生開裂。因此，需要對抗震構造采取相應的措施；③在水平力作用下，對于高層短肢剪力墻結構來說，主要是整體彎曲變形，并且較大的豎向荷載和扭轉剪力由底部外圍小墻肢來承受，在這種情況下，需要進一步加強小墻肢的抗震性能；④均勻分布各墻肢，進一步使其剛度中心盡量接近建筑物的中心，在必要的情況下，可以通過長肢墻對剛度中心進行調整；⑤連梁作為高層住宅結構中的耗能構件，在短肢剪力墻結構中其墻肢剛度較小。連接各墻肢間的梁雖然和普通框架梁無明顯區別，但是不同于剪力墻間的連梁。在整體結構中，連梁應該保持一定的剛度，否則無法保證其設計內力達到預期要求。通常情況下，需要按照普通框架梁的實際情況，對砼壓區高度進行控制。

2 異形柱結構

異形柱結構是指截面各肢的肢高與肢厚比不大于4的鋼筋混凝土柱，與正方形、矩形柱柱子相比，存在一定的差異。通常情況下，它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻。目前業界通用的結構形式除“十”字型以外，還有“L”型和“T”型。

這種結構的特點是：

①截面結構特殊，墻肢平面內外兩個方向剛度嚴重不一致，致使各向承載能力因剛度的差異而存在差異性；②長柱（H/h>4）的剪切變形忽略不計。控制軸壓較小時，受力情況良好，變形效果可控。短柱（H/h<4）則要充分考慮剪切變形的影響。異形柱通常為薄壁型短柱異形柱，柱體遭到延性破壞后，截面曲率M/EI 或εcu/χ（εcu 為砼的極限壓應變，χ 為截面受壓區高度）較小，因而彎曲變形可控；③多肢異形柱的平面范圍內有剪切中心。在受力情況下，必須通過各柱肢交點部位核心砼對內力及變形進行有效協調，在這種情況下，各柱肢內往往會產生較大的翹曲應力及剪應力。而柱肢早期裂縫基本是剪應力所致。另外，剪應力也使各肢核心砼處于三向剪力狀態，降低了普通截面柱變形能力，并伴有嚴重的脆性破壞；

設計異形柱結構時，首先考慮高規的相關要求，其次要關注以下幾個關鍵節點：

2.1 異形框架的計算 異形框架截面相對特殊，由于柱截面對稱軸內存在水平力，使得彈性分析計算其翹曲應力很小，使得構件成為承受水平力的偏壓構件。允許基于平截面標準作假定分析，并依照參考砼設計規范進行計算，尤其是在“框-剪、框-筒”結構中，在烈度區為6 度或6度以下的Ⅰ、Ⅱ類場地的框架柱，可以承擔的水平風載非常少，只需參考一般的偏壓柱計算方法便可得到相對精準的分析結果。這時，異形柱代換成剛度和面積相同的矩形柱后可作整體分析。當非主軸方向上存在較大的水平力時，一定要考慮翹曲應力，若以平截面的標準作假定分析，可能出現大的誤差。正確的方法是分析異形柱框架構造的有限元，用以調整內力、配筋的位置和大小。運用專業計算軟件（比如，建研院的TAT、SATWE 程序）計算內力及配筋。運用TAT、SATWE 程序計算正截面配筋，一是可確保數據分析結果準確可靠，二是能提高結構的安全系數，確保設計質量達標。

2.2 軸壓比控制 從框架結構與框-剪結構形式來看，柱的延性往往能有效疏散地震能量，提高框架的穩固性。在結構設計中，砼柱延性的優劣還取決于軸壓比的合理性。經試驗驗證得知，軸壓比越大，柱的側移延性比越小。

在高軸壓比條件下要提高柱的延性，僅僅通過增加箍筋數量難以奏效。由此可見軸壓比的變化對柱的延性影響程度之深。尤其是異形柱結構剪力中心和截面形心相互錯位，砼柱肢在剪應力的作用下往往比普通矩形壓剪構件更早開裂，使得構件承受腹剪破壞。另外，短柱異形柱受到的脆性破壞更為嚴重，使得異形柱延性低于矩形柱。因此，為確保構件質量達標，必須合理控制異形柱的軸壓比。

2.3 配筋構造 按設計要求進行選型計算后，要確保異形柱受力效果良好，還應關注截面內鋼筋的構造。鑒于異形柱截面固有的特點，通常會在柱肢端部產生大的應力，加之柱肢所受梁的應力作用不均衡，應力作用最明顯的肢端往往使柱肢存在偏心壓力，從而使肢端所承受的壓應力更加明顯。鑒于此，在異形柱配筋階段，須將暗柱設于肢端。將2Ф14 的構造縱筋布置在離端部厚度范圍內，使箍筋同柱，對柱肢砼開裂能夠起到限制作用，異形柱局部抗壓抗剪性能得以改善，同時可防止構件發生嚴重的形變。

3 結語

當前，短肢剪力墻結構與異形柱框架結構已被廣泛應用在建筑施工領域。在設計中，基于結構受力特性掌握其破壞機理，優化調整結構形式，確保計算機分析及截面配筋計算正確無誤，才可提高結構設計的經濟性和安全性。

[1]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].中國建筑工業出版社，2010.

[2]邱棉偉.建筑短肢剪力墻與異形柱結構的分析計算[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2008（08）.

[3]何洋.高層住宅建筑中短肢剪力墻結構的延性設計[A].2014年全國科技工作會議論文集[C].2014.