基于短肢剪力墻結構與異形柱框架結構設計探討

田紅潮

摘要：基于短肢剪力墻結構與異形柱框架結構工程實踐基礎上，論述兩種結構形式的受力特點，并分析了各自的結構計算、構造等相關問題。

關鍵詞：異形柱結構 短肢剪力墻機構 設計

一、異型柱與短肢剪力墻結構的特點

1.短肢剪力墻結構設計特點。具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構稱為短肢剪力墻結構。這種結構型式的特點是：①結合建筑平面，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；⑦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，較易滿足剛度和強度要求。

2.異形柱結構設計特點。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，剪切變形占有相當比例，構件變形能力下降。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。

二、短肢剪力墻結構設計要點

1.剪力墻結構布置。剪力墻布置不宜太密，使結構具有適宜的側向剛度；若側向剛度過大，不僅加大自重，還會使地震力增大。剪力墻宜自下到上連續布置，避免剛度突變。當剪力墻與平面外方向的梁連結時，可加強剪力墻平面外的抗彎剛度和承載力；或減小梁端彎矩的措施。高層結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。短肢剪力墻結構的最大適用高度應適當降低。

2.剪力墻結構平面協同工作分析。在豎向荷載作用下，各片剪力墻承受的壓力可近似按各肢剪力墻負荷面積分配；在水平荷載作用下，各片剪力墻承受的水平荷載可按結構平面協同工作分析。即研究水平荷載在剪力墻之間分配問題的一種簡化分析方法。實際上，當房屋的體型比較規則，結構布置和質量分布基本對稱時，為簡化計算，通常不考慮扭轉影響。

三、異形柱結構設計要點

1.異形框架計算。組成異形柱結構體系的截面形式較多，故做整體分析時，宜采用三維分析。按砼設計規范計算，而對于在柱截面對稱軸內受水平力作用較大，或水平力在非主軸方向時，彈性分析計算翹曲應力不容忽視，按平界面假定誤差較大，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。

2.截面選取。框架梁截面高度可按（1/10～1/15）1b確定（1b為計算跨度），且非抗震設計時不宜小于350mm；抗震設計時不宜小魚400mm。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。柱兩肢的肢高比不宜超過1.6，且肢厚相差不大于50mm，柱截面各肢的肢高肢厚之比控制在不大于4的范圍。

3.配筋構造。在正確的結構選型及計算后，截面內鋼筋的構造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點，柱端部分會出現較大應力，加上梁作用于柱肢上應力的不均勻，一般越靠近肢端應力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大肢端壓應力。

4.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。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。

5.節點域抗剪。在較高設防烈度抗震設計的異形柱結構適用的房屋最大高度確定中，框架的節點核心區受剪承載力起主要控制作用。由于截面尺寸較窄，故受剪承載力較低；因而房屋的最大高度相對較低，異形柱截面形式的影響，L形柱軸壓比限值和節點核心區受剪承載力均低于T形和十形，故結構中L形柱較多時，結構高度應適當降低。

6.混凝土強度。因異形柱結構中的截面尺寸較小（肢厚），故節點核心區對于混凝土的施工要求更為嚴格，《規范》規定混凝土強度等級不應低于C25，不應高于C40。

7.異形柱結構的施工重點。異形柱柱肢是由兩個相互正交的柱肢組成，柱肢厚度小（一般為200～250mm），而肢較長（一般為500～800mm），鋼筋較為密集，且混凝土澆筑困難，保證鋼筋安裝位置，特別是梁柱縱向受力鋼筋安裝位置準確，滿足驗收《規范》合理偏差要求，以保證結構混凝土的強度等級符合要求。

四、結語

“短肢剪力墻結構”和“異形柱框架結構”形式在現代建筑行業中已成為了很關鍵的一種形式，隨著用戶們對建筑內部結構要求的提高，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，未來建筑結構領域中兩種結構形式應用的層面也將越來越深。