短肢剪力墻與異形柱結構設計

侯勤

（梅州市規劃設計集團廣東誠實建設工程有限公司，廣東 梅州514000）

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，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型。這種結構型式的特點是：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；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；能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋形式簡單；連接各墻的梁，隨墻肢位置而設于間隔墻豎平面內，隱蔽性好；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—系簿壁柱空間分析方法或空間桿—墻組元分析方法，雖然三維桿系—簿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，但這種結構在結構設計中仍然有需要引起重視的方面：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；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；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；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

異形柱結構是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-5，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：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；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；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；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，異形柱結構設計已有國家統一規范，即JGJ149-2006。在進行異形柱結構設計時，除滿足規范中對結構布置要求外，還應注意幾個方面的問題：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。

3 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；結構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 12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，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。異形柱砼等級不應低于C25，且不高于C50。異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。

4 結束語

綜上所述，短肢剪力墻結構與異形柱框架結構，其結構布置特點適應現階段住宅空間需求。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及構造要求，使兩種結構有可靠的安全保障。

[1]廖文彬.短肢剪力墻配筋方式設計探討[J].福建建筑，2004-10-30.

[2]馮明川.異形柱結構受力分析與設計探討[J].山西建筑，2003-04-30.