高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)受力分析與設(shè)計(jì)

詹忠锜

（江蘇南京熱電工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211100）

高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)受力分析與設(shè)計(jì)

詹忠锜

（江蘇南京熱電工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211100）

文章首先分析高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)的受力，在此基礎(chǔ)上論述高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。期望通過研究能夠?qū)Χ讨袅彤愋沃Y(jié)構(gòu)在高層建筑中的推廣應(yīng)用有所幫助。

高層建筑；短肢剪力墻；異形柱

1 高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)的受力分析

1.1 短肢剪力墻的受力分析

當(dāng)組合截面的高度一定時(shí)，如果洞口開的較大，則墻肢的截面高度較小且墻肢本身較弱，若是洞口開的較小，則墻肢較強(qiáng)。而墻肢為矩形截面且其上沒有洞口開設(shè)時(shí)，可以達(dá)到最小值0.75。由此可見，能夠使用值對(duì)短肢剪力墻墻肢的強(qiáng)弱程度進(jìn)行鑒別。相關(guān)研究結(jié)果表明：墻肢處于較強(qiáng)的狀態(tài)，而時(shí)，墻肢則處于較弱的狀態(tài)，根據(jù)這一研究結(jié)果，可以判斷為墻肢系數(shù)。通常情況下，主要與以下因素有關(guān)：樓層數(shù)、荷載形式、α的大小等，的值越小，說明墻肢越強(qiáng)，的值越大，則說明墻肢越弱。

（2）整體性系數(shù)（α）。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，α反映全部連梁總的轉(zhuǎn)角剛度與全部墻肢的抗彎剛度的比值。α的值越大，墻肢越弱，連梁越強(qiáng)，在這種情況下的整體性較好；α的值越小，則表明墻肢越強(qiáng)，連梁越弱，此時(shí)的整體性相對(duì)較差。通過實(shí)驗(yàn)獲得了如下數(shù)據(jù)，即α≥10為墻肢弱、連梁強(qiáng)，α≤10為墻肢強(qiáng)、連梁弱，兩種情況下的墻肢與連梁強(qiáng)弱均是相對(duì)而言的。在墻肢弱連梁強(qiáng)的狀態(tài)下，還包含了如下兩種情況：①墻肢弱，梁比墻肢強(qiáng)；②墻肢本身強(qiáng)，但梁比墻肢更強(qiáng)。具體分析中，可以將一些因素對(duì)連梁的影響忽略不計(jì)，如剛域、軸向變形等，由此可以得出m列規(guī)則形狀洞口的開洞剪力墻整體性系數(shù) 。換言之，整體性系數(shù)α是所有連梁轉(zhuǎn)角剛度和與所有墻肢線剛度和的比值，它所描述的是短肢剪力墻各個(gè)墻肢彎曲剛度與局部剪切剛度及整體彎曲剛度間關(guān)系的綜合性指標(biāo)[1]。

1.2 異形柱的受力分析

在高層建筑當(dāng)中，異形柱結(jié)構(gòu)具體是指截面形狀為工字形、十字形、T形、Z形、L形的混凝土結(jié)構(gòu)柱，通常情況下，異形柱的肢長與肢厚的比值應(yīng)當(dāng)≤4。

（1）力學(xué)特性。在等肢的前提條件下，L形異形柱的形心主軸方向?yàn)?5°和135°，對(duì)應(yīng)的慣性矩分別為最大和最小值。而T形異形柱的形心主軸方向?yàn)?°和90°，對(duì)應(yīng)的慣性矩在其截面各方向上的最大和最小值。

（2）受力分析。異形柱而言的結(jié)構(gòu)決定了其受力特點(diǎn)和抗震性能。沒有對(duì)稱軸或是僅有1～2根對(duì)稱軸的異形柱，在不同的方向上的剛度有所不同；在雙向壓彎的受力狀態(tài)下，異形柱的中和軸與彎矩作用平面基本不會(huì)出現(xiàn)垂直現(xiàn)象，也不會(huì)與截面邊緣平行；當(dāng)材料的強(qiáng)度、配筋率以及截面積全部相同時(shí)，T型截面上的雙向壓彎構(gòu)件正截面的承載能力要高于L形異形柱[2]。

2 高層建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

2.1 短肢剪力墻的設(shè)計(jì)方法

（1）布設(shè)的基本原則。高層建筑在布設(shè)短肢剪力墻時(shí)，除了應(yīng)當(dāng)滿足均勻、對(duì)稱、連續(xù)等要求之外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)如下事項(xiàng)加以注意：①短肢剪力墻的平面應(yīng)當(dāng)盡可能規(guī)則和簡單，可以沿兩個(gè)主軸的方向進(jìn)行雙向布設(shè)，同時(shí)這兩個(gè)方向上的側(cè)向剛度差應(yīng)當(dāng)控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。在對(duì)短肢剪力墻進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須采用雙向有墻的結(jié)構(gòu)形式；②短肢剪力墻的側(cè)向剛度應(yīng)當(dāng)盡量控制在合理的范圍內(nèi)，盡可能不要過大。較大剛度的剪力墻在高層建筑中均勻布置時(shí)，可以使其作用得以充分發(fā)揮，由此可以使建筑本身的重量有所減少，內(nèi)部可利用空間會(huì)隨之增大。為使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度，并出于經(jīng)濟(jì)性考慮，短肢剪力墻不宜布設(shè)的過于密集，只需要滿足設(shè)計(jì)要求即可；③可按照建筑中開間的實(shí)際尺寸及樓板的跨度對(duì)墻肢間距進(jìn)行合理取值，規(guī)范要求3～8m。如果墻肢的間距過小，則會(huì)造成結(jié)構(gòu)的剛度過大，不利于抗震；④為防止豎向突變問題，布設(shè)短肢剪力墻時(shí)，確保其上下連續(xù)、貫通到頂，厚度可逐漸減??；⑤短肢剪力墻上的門窗洞口應(yīng)當(dāng)布設(shè)的規(guī)則、整齊，盡可能確保上下對(duì)齊，同時(shí)要保證墻肢與連梁構(gòu)件之間的連接明確，洞口的大小盡量一致?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，位于底部加強(qiáng)部位的洞口必須嚴(yán)格布設(shè)，其抗震等級(jí)應(yīng)當(dāng)為一、二、三級(jí)剪力墻，不宜采用錯(cuò)洞墻[3]；⑥當(dāng)短肢剪力墻與平面外相交的樓面梁以剛接的方式進(jìn)行連接時(shí)，可以沿著樓面梁軸線的方向布設(shè)與梁相連接的短肢剪力墻或是在墻體內(nèi)部設(shè)置暗柱。此外，不宜將樓面主梁支撐在短肢剪力墻或是核心筒的連梁上；⑦高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻不得全部采用短肢形式，對(duì)此相關(guān)規(guī)范中有著非常嚴(yán)格的規(guī)定。對(duì)于不適宜設(shè)置短肢剪力墻的高層建筑結(jié)構(gòu)而言，如抗震設(shè)防烈度為9度、高度在B級(jí)以上的，均不宜設(shè)置過多的短肢剪力墻。如果主結(jié)構(gòu)當(dāng)中的短肢剪力墻數(shù)量過多，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗震性能，具體設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)此予以注意。

2.2 異形柱的設(shè)計(jì)方法

雖然目前相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是想要對(duì)某個(gè)區(qū)域的地震作用進(jìn)行計(jì)算精確還存在一定的難度。如果高層建筑中采用異形柱結(jié)構(gòu)體系，因其力學(xué)性質(zhì)比較特殊，具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇適宜的方法。通過對(duì)以往成功的案例進(jìn)行分析總結(jié)，并依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，提出高層建筑中異形柱的一些設(shè)計(jì)方法。

（1）平面布置。在相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元當(dāng)中，異形柱應(yīng)當(dāng)采用雙向布置的方式，結(jié)構(gòu)的平面形狀應(yīng)當(dāng)盡可能規(guī)則、對(duì)稱，剛度的分布應(yīng)當(dāng)均勻，同時(shí)要保證質(zhì)量。此外，要盡可能使建筑內(nèi)房屋的質(zhì)量中心與異形柱的剛度中心相重合，這樣可以有效減小扭矩帶來的不利影響，避免扭矩效應(yīng)的產(chǎn)生。具體做法如下：對(duì)結(jié)構(gòu)布設(shè)的非均勻性進(jìn)行限制，防治結(jié)構(gòu)過大偏心的產(chǎn)生，同時(shí)，結(jié)構(gòu)本身的抗扭剛度不宜過弱。

（2）豎向布設(shè)。在對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行布設(shè)的過程中，確保其豎向的質(zhì)量部分與剛度變化均勻。外挑和內(nèi)收均不可過大，以免引起結(jié)構(gòu)質(zhì)量或是剛度突變的問題發(fā)生，進(jìn)而引起薄弱層蘇醒變形集中的問題。

（3）抗震等級(jí)是確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震措施的主要標(biāo)準(zhǔn)之一?，F(xiàn)行規(guī)范將其分為四個(gè)等級(jí)，因異形柱的結(jié)構(gòu)性能較為特殊，在充分考慮建筑高、地震反應(yīng)大的情況下，必須對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)進(jìn)行合理確定，具體可按照建筑結(jié)構(gòu)的類型、房屋高度以及抗震烈度等指標(biāo)進(jìn)行確定[4]。

（4）軸壓比。在影響結(jié)構(gòu)延性的指標(biāo)中，軸壓比是較為重要的指標(biāo)。我國現(xiàn)行的GB50011規(guī)范中對(duì)軸壓比進(jìn)行了限制，這樣做的主要原因是位移軸壓比會(huì)隨著延性軸壓比的增大而減小。如果受壓區(qū)域的高度較小，則可能導(dǎo)致偏心破壞，所以必須通過相關(guān)計(jì)算合理確定最大軸壓比限值。

3 結(jié)束語

綜上所述，短肢剪力墻和異形柱以其自身所具有的特殊力學(xué)性質(zhì)，在高層建筑中獲得了應(yīng)用。為使兩者的作用能夠獲得充分發(fā)揮，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，由此可以為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1]郝省玲.裝配整體式預(yù)制預(yù)應(yīng)力L型短肢剪力墻的抗剪性能分析[D].長安大學(xué).2012.

[2]孔令倉.框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)布置及落地墻抗震性能的研究[D].西安建筑科技大學(xué).2014.

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

[4]岳亞鋒.異形柱—密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)抗震性能及全壽命周期設(shè)計(jì)方法研究[D].西安建筑科技大學(xué).2014.

[TU208.3]

A

2096-2789（2016）12-0216-02