高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構受力分析與設計探討

李克壘

【摘 要】本文在眾多短肢剪力墻結構與異形柱框架的試驗資料與工程實踐基礎上，論述了這兩種結構形式的受力特點，并分析了各自的結構計算、構造的相關問題。

【關鍵詞】高層建筑；剪力墻；結構

0引言

隨著人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，原來普通框架結構的露梁露柱、普通剪力墻結構對建筑空間的嚴格限定與分隔已不能滿足人們對住宅空間的要求。于是在原有剪力墻的基礎上，吸收了框架結構的優點，逐步發展形成了能適應人們新的住宅觀念的高層住宅結構型式，即“短肢剪力墻結構”和“異形柱框架結構”型式。這兩種新的結構由于在很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結構的缺點，受到了建筑師的肯定，更得到了住戶與房開商的歡迎，為此，本文對這兩種新的高層住宅結構型式的受力特點、結構分析及構造要求進行闡述。

1短肢剪力墻結構特點

1.1短肢剪力墻結構形式的特點

1）結構建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構件，基本上不與建筑使用功能發生矛盾；2）墻的數量可多可少，肢長可長可短，主要視抗側力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調整剛度中心的位置；3）能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單；4）連接各墻的梁，隨墻肢位置而設于間隔墻豎平面內，可隱蔽；5）根據建筑平面的抗側剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側力構件，易滿足剛度和強度要求。

1.2短肢剪力墻結構設計注意事項

對短肢剪力墻結構的設計計算，因其是剪力墻大開口而成.所以基本上與普通剪力墻結構分析相同，可采用三維桿系—薄壁柱空間分析方法或空間桿一墻組元分析方法。其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況，精度較高。雖然三維桿系一薄壁柱空間分析程序使用較早、應用較廣，但對墻肢較長的短肢剪力墻，應該用空間桿墻組元程序進行校核。在進行以上分析后，按《高層建筑結構設計與施工規范》進行截面與構造設計，相對于異形柱結構，短肢剪力墻結構的理論與實踐較為成熟，但這種結構在設計中仍然有需要引起重視的方面：

1）由于短肢剪力墻結構相對于普通剪力墻結構，其抗側剛度相對較小，設計時宜布置適當數量的長墻，或利用電梯、樓梯間形成剛度較大的內筒，以避免設防烈度下結構產生大的變形，同時也形成兩道抗震設防。2）短肢剪力墻結構的抗震薄弱部位是建筑平而外邊緣的角部處的墻肢，當有扭轉效應時，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，虛加強其抗震構造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率。3）高層短肢剪力墻結構在水平力作用下，顯現整體彎曲變形為主，底部外圍小，墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉剪力，由一些模型試驗反映出外周邊墻肢開裂，因而對外周邊墻肢應加大厚度和配筋量，加強小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應在兩個方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢。4）高層結構中的連梁是一個耗能構件，在短肢剪力墻結構中，墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的粱已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻問的連梁，不應在計算的總體信息中將洼梁的剛度大幅度下調，使其設計內力降低，應按普通框架粱要求，控制混凝土受壓區高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調幅70%～80%來解決，按強剪弱夸，強柱弱梁的延性要求進行計算。

2異形柱結構受力與設計分析

異形柱結構是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。這種結構的特點是：

①由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；②對于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h<4），剪切變形占有相當比例，構件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構件，即使發生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率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，使彎曲變形性能有限，延性較差；③異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協調變形和內力，這種變形協調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；④特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內外大量的試驗資料和理論分析，異形柱的破壞形態為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。

目前，異形柱結構設計還沒有統一的國家規范，僅有兩部地方性法規，即廣東省標準DBJ/T15-15-95和天津市標準DB29-16-98可供參考。在進行異形柱結構設計時，除滿足高規中對結構布置要求外，還應注意幾個方面的問題：

（1）異形框架的計算

由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按砼設計規范計算，特別是在框——剪，框——筒結構中，對6度及其以下烈度區的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結構進行有限元分析，決定內力和配筋位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件。現在有一些軟件沒有異形柱截面形式，如要用它進行計算，要先進行等剛度等面積換算成矩形柱，進行整體分析，得到雙向內力后再進行異形柱的截面設計，其工作量相當大，且截面設計的可靠性不高。目前，國內可直接進行異形柱截面內力計算和截面設計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序，廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學的鋼筋砼異形柱結構配筋計算程序CRSC。這些程序均用數值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經過大量工程校算，能有效地滿足結構安全性要求。

（2）軸壓比控制

對框架結構，框剪結構，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關鍵指標。由試驗結構分析，柱的側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關重要，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構件出現裂縫，產生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

3結語

總之，短肢剪力墻結構與異形柱框架結構有著較大的市場需求，在設計中根據其受力的特點，充分了解其破壞的各種機理，選用合理的結構形式，正確掌握計算機分析方法和截面配筋，其結構才能有可靠的安全保證。

參考文獻：

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