異形柱框架－剪力墻結構在小高層建筑中的應用

郭培成

(廈門大學嘉庚學院土木工程系 福建漳州 363123)

異形柱框架－剪力墻結構在小高層建筑中的應用

郭培成

(廈門大學嘉庚學院土木工程系 福建漳州 363123)

通過異形柱框架－剪力墻和框架兩種不同結構體系在適用性、美觀性、經濟性方面以及在地震作用下其它各項結構指標計算對比，分析可知異形柱框－剪結構在小高層建筑應用中更合理。

異形柱框架－剪力墻結構;框架結構;小高層

0 引言

近三十年來隨著城鎮化不斷發展，國民經濟實力的提高，房地產行業也迎來了空前的發展。

隨著城鎮化的快速發展，城市用地日益緊張，多層建筑已經不能滿足現在的需求，高層建筑一般一梯多戶的格局，會出現朝向不好的問題，于是小高層(小高層一般定義為7層至12層)住宅隨之應運而生。小高層住宅一般采取一梯兩戶的格局，它解決了多層、高層的問題。

但對于小高層住宅建筑來說，普通剪力墻結構布置不夠靈活，會影響到美觀和使用;框架結構又會引起室內的凸出，影響了建筑觀瞻;異形柱框架－剪力墻采用柱、梁、墻等厚度(寬度)，解決了框架結構室內柱角和梁邊外露、占據空間、影響美觀和使用的問題。異形柱框架－剪力墻結構作為未來我國小高層住宅建造中推廣的主要形式之一，具有良好的發展前景。

1 異形柱結構及工程概況

1.1 異形柱

《混凝土異形柱結構技術規程》(JGJ 149－2006)［1］明確提出:異形柱是指截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高與肢厚之比不大于4的柱。因為這種條件下異形柱在偏心受壓狀態下的應變基本符合平截面假定，其力學性能符合柱的特征。

1.2 異形柱結構的發展現狀

天津市最早研究和應用異形柱框架和異形柱框架－剪力墻結構，山東省、廣東省、江蘇省、安徽省、陜西省在異形柱結構方面也發展較快。

1.3 異形柱框架－剪力墻結構

異形柱框架－剪力墻結構是由剪力墻和異形柱兩種不同受力構件組成，共同承擔所有豎向和水平荷載。剪力墻為主要抗側力構件，承擔大部分地震或風產生的剪力以及傾覆力矩。因為它們之間剛度和強

本文擬通過異形柱框架－剪力墻和框架兩種不同結構體系在適用性、美觀性、經濟性方面以及在地震作用下其它各項結構指標計算對比，比較結果表明了異形柱框－剪結構在小高層建筑應用中更合理。度差別較大，合理地布置剪力墻和異形柱的位置及截面尺寸尤為重要，這將會影響到它們之間是否合理地協調工作，這是設計中應該注意的。

本文以一棟11層小高層住宅建筑為研究對象，采用異形柱框－剪結構體系進行設計，用框架結構補充計算，應用大型有限元分析軟件SATWE對它們進行了動力特性分析比較。

1.4 工程概況

山東省文登市某住宅小區11層，無地下室，一層為店面，其它為住宅，建筑高度37.6m，總建筑面積5 782.6m2。該項目采用異形柱框架剪力墻結構，如圖1所示，結構高度34.7m(異形柱框架－剪力墻結構在該條件下，最大適用高度40m)，該結構高寬比2.97 (異形柱框架剪力墻結構最大適用為4.5)，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，地震分組第一組，基本風壓0.65，基本雪壓0.55，建筑物抗震設防類別為丙類，場地類別Ⅱ類，設計基準期50，使用年限70年，結構安全等級二級;異形柱框架剪力墻中剪力墻抗震等級均為三級，異形柱框架為二級;框架結構中框架抗震等級均為二級［4－5］。采用PKPM三維空間計算軟件，在水平地震作用下，進行地震內力和位移計算，如圖1所示。

圖1 異形柱框架剪力墻結構布置圖

結構布置圖關于6軸線對稱。L形柱采用等邊，肢長為800mm，肢厚為200mm;T形柱采用等邊，肢長為800mm，肢厚為200mm;剪力墻長邊1 600mm，短邊長600mm，墻厚度200mm;框架結構按照截面面積相等將異形柱換成方形柱截面為530mm×530mm，剪力墻換成方形柱截面為635mm×635mm，替換原來的構件，位置不變，兩種結構所用框架梁和非框架梁截面均相同。

2 計算結果及其分析比較

異形柱框架剪力墻與框架結構比較分析結果如表1所示。

表1 計算結果比較

2.1 兩種結構用鋼量的比較

異形柱框架－剪力墻較多，兩者相差5.56%，主要原因是剪力墻構造要求高，配置鋼筋較多，其次異形柱中箍筋用量也較多，兩者梁所用鋼筋量相當，總體用鋼量差別不大，對結構整體造價影響不大。

2.2 軸壓比計算比較

軸壓比是指組合的軸壓力設計值與墻柱全截面面積與混凝土軸心抗壓強度設計值乘積的比值，兩種結構最大軸壓比均未超過規范規定限值，比較接近限值，延性都會明顯下降，尤其是框架結構(單純抗側力體系)，柱延性較差帶來的后果嚴重性超過異形柱框架－剪力墻(該體系為雙重抗側力結構)。為了避免延性下降過多，應加大柱截面尺寸。

2.3 底層框架占傾覆力矩的比較

異形柱框架－剪力墻底層框架占傾覆力矩大于10%，小于50%，符合規范按框架－剪力墻進行計算。在實際工程中，該數據比較合理的范圍應該為20%～30%，另外剪力占30%左右，異形柱框架部分和剪力墻的側向剛度分配比較合理。規范規定樓層受剪承載力之比不宜小于0.8，不應小于0.65，框架結構該項數據0.81，顯示該結構比較接近薄弱層(本層小于上一層的0.8)，則定義為需要調整結構的抗剪能力，以免在地震作用下，該部位變形較大以致倒塌;頂層最大側移框架結構較異形柱框架－剪力墻大13.7%，主要原因剪力墻剛度較大，而純框架結構剛度較小所致。因此，純框架結構進行小高層以及高層設計，有必要加強其剛度，保證建筑物有足夠能力抵抗變形，不影響正常的使用。

2.4 層間位移比比較

層間位移比是反映結構是否平面扭轉規則，大多數結構破壞都是由于扭轉不利導致，即使是對稱結構，地震或風荷載作用下也會出現扭轉。在工程中，無法準確計算扭轉，只能從設計方案、抗側力構件布置、連接構造上面去減少扭轉帶來的不利影響。

異形柱框架－剪力墻位移比小，主要原因是剪力墻布置在扭轉不利的四周，尤其是短方向，形成較大的抗扭剛度，框架結構抗扭剛度主要由柱和梁貢獻，但是它們的剛度尤其在平面內和剪力墻比太小了。

2.5 扭轉位移比比較

結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期之比，A級高度高層建筑不應大于0.9［2］。周期比同位移比的控制一樣，周期比側重控制的是側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不至于出現過大(相對于側移)的扭轉效應。框架結構周期比0.93(主要原因第二振形為扭轉)大于規定值0.90，違反了“強規”，該結構方案需要重新調整和布置。周期比大于0.9，如同樓層位移比大于1.5，屬于嚴重不規則體系。

2.6 周期與剛度的分析比較

周期的大小和剛度有關系，一般來說，剛度越大周期越小。從表1中可以看出，異形柱框架剪力墻周期小，因為它的剛度較純框架結構大。有兩方面原因:第一，在相同截面面積下，T形截面慣性矩約為矩形柱截面積慣性矩的1.10至1.20倍之間，對L形截面則在1.15至1.30倍之間;那么，在柱截面積相同的情況下，異形柱的雙向抗彎剛度通常要大于矩形柱。第二，在該結構中，剪力墻在與柱相同面積的情況下，剛度約為柱的5倍［3］。

2.7 振型系數的分析

異形柱框架剪力墻結構第一振型為Y方向的純平動，第二振型為X方向的純平動，符合高層設計第一、第二振型最好為平動，并且平動系數越大越好，可以判斷該結構整體抗扭轉性好。在實際工程設計中，一般確保第一、第二振型對應的平動系數大于0.80。而框架結構第一振型為平動，且平動系數為1，大于規范規定的0.80，符合要求，但是第二振型為扭轉，對結構十分不利，應進行結構剛度的調整。

3 異形柱框架－剪力墻結構相關構造要求

為了避免短柱，異形柱要求柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比宜大于4;梁的凈跨與截面高度的比值不宜小于4;梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4和200mm;異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm;異形柱的剪跨比宜大于2，抗震設計時不應小于1.5。為了保證異形柱有較好的延性和耗能，剪力墻的要求可以執行相關鋼筋混凝土剪力墻結構的構造。

4 結語

(1)采用異形柱框架－剪力墻結構，體系空間整體性有所加強，各階自振周期縮短，結構頂層側移減小，各層層間位移減小，結構周期比及位移比較框架減小，整體抗震性能有所提高。

(2)異形柱框架－剪力墻結構布置過程中，剪力墻的數量不宜過多，以保證異形柱在地震作用下底部剪力和傾覆力矩滿足相關要求;另外，剪力墻盡量布置在四周，提高結構的抗扭轉效果。

(3)異形柱框架－剪力墻結構在滿足適用、美觀的情況下，承載力和經濟效果也比較理想。

(4)異形柱框架－剪力墻結構在高烈度區的應用較少，還需要加大力度進行理論和實踐研究。

［1］ JGJ 149－2006混凝土異形柱結構技術規程［S］．北京:中國建筑工業出版，2006．

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

［3］ 閆光宇．剪力墻數量與空間位置對框架剪力墻結構抗震性能影響的研究［J］．中國建筑金屬結構，2013(4): 119－119．

［4］ GB50011－2010建筑抗震設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版，2010．

［5］ GB5009—2006建筑結構荷載規范［S］．北京:中國建筑工業出版，2006．

Frame－shear wall structure with special－shaped columns in the application of the small high－rise buildings

GUO Peicheng
(Civil Engineering Department，Xiamen University Tan Tah Kee College，Zhangzhou 363123)

in this paper，the frame－shear wall structure and frame structure with special－shaped columns in the application of small high－rise is analyzed，through the applicability，beautiful sex，economy and other various structure under seismic action index calculation comparison，it is concluded that the special－shaped column frame－shear structure in small high－rise application more reasonable.

Special－shaped column frame－shear wall structure;Frame structure;The small high－rise

TU3

A

1004－6135(2017)02－0042－03

郭培成(1978．11－ )，男，講師。

E-mail:guopeicheng11@126．com

2016－11－14