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摘要：現代住宅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“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，受到了大家的肯定。...

短肢剪力墻與異形柱結構的設計探討

楊優越

(廣西華藍設計(集團)有限公司530011  南寧市)

設計

    1.短肢剪力墻結構

    短肢剪力墻結構是指墻肢的長度為厚度的5—8倍剪力墻結構。這種結構型式的特點是：

    1.1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；      

    1.2能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單；   

    1.3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；

    1.4連接各墻的梁，隨墻肢位置而設于間隔墻豎平面內，可隱蔽；

    1.5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。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——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——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，應該用空間桿一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，但這種結構在結構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面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，應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)各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時用長肢墻來調整剛度中心；2．異形柱結構  

2.異形柱結構

    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／El或 Ecu／Y(gcu為砼的極限壓應變，X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。

    對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，由于異形柱分擔的水平剪力很小，由此產生的翹曲應力基本可以忽略，為簡化計算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架一剪力墻(或核心筒)結構進行內力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計算更為簡便。按面積等效計算時，須同時滿足下面兩式：

    ①A矩一A異；

    ②b／h=(Ix異／ly異)1／2式中，A矩、A異——分別為矩形柱和異形柱的截面面積-b、h——分別為矩形截面的寬和高；Ix異、Iy異——分別為異形柱截面x、Y向的主形心慣性矩。

    一般情況下，按面積等效計算時，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，計算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計算結果是接近的。異形柱的截面設計，可根據上述方法得出的內力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計算方法進行配筋計算。

3.畀形柱的受力性能及其軸壓比控制

    異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態下，各肢產生翹曲正應力和剪應力。由于剪應力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現裂縫，即產生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。天津大學的試驗研究結果表明：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長比(即柱凈高與截面肢長之比)是影響異形柱破壞形態及延性的兩個重要因素。

    《高規》(JGJ3—91)第5．3．4條，“抗震設計時，小墻肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二級剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于0.6”。根據上述分析，為便于應用，建議在6度設防區，對于異形柱框架結構，L形截面柱的軸壓比不應超過0.6(按截面的實際面積計算，下同)，T形截面柱的的軸壓比不應超過0.65十字形截面柱的軸壓比不應超過0.8；對于異形柱框架一剪力墻(或核心筒)結構，由于框架是第二道抗震防線，所以框架柱的軸壓比限值可放寬到0.65(L形)、0.70(T形)、0.90(+字形)，但對于轉換層下的支承柱，其軸壓比仍不應超過0.60。

    短柱在壓剪作用下往往發生脆性的剪切破壞，設計中應盡量避免出現短柱。根據高長比不宜小于4，在梁高為600ram的前提下，當標準層層高為3.0m時，異形柱的最大肢長可為600ram；底層層高為4.2m時，肢長可為900ram。對框架結構，框一剪結構，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。

4.配筋構造

    由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現較大應力，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。因而在異形柱配筋時，應在肢端設暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。，離端部厚度范圍內設2(14的構造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標好，因而箍筋采用8、l0，其間距可比普通柱箍筋間距小。

    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。

依據標準及參考文獻：

[1]地方標準，《鋼筋混凝土異形柱規程(廣東)[S]》 DBJ／Tl5—15—95．   

[2]呂西林．《高層建筑結構[M]》．武漢理工大學．2003．

[3]行業標準，《高層建筑混凝土結構技術規范[S]》JGJ3—2002．

[3]地方標準，《大開間鋼筋砼異形柱輕框結構技術(天津市) [s]>>DB29—16—98．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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