住宅樓設計中的異性柱框架結構計算研究

李佳澤 石昌文

摘 要：本文從筆者工作經驗出發，深度探討了層建筑結構中異形柱和短肢剪力墻得受力情況，文章首先介紹了異形柱結構的特點，而后研究了異形柱結構受力的計算方法，最后詳細闡述了短肢剪力墻結構的特點和需要引起重視的方向。

關鍵詞：異形柱 短肢剪力墻 受力情況

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0115-02

以往宅樓設計多采有砌體結構或框架結構兩種體系，近年來，從多層框架結構和剪力墻結構衍生發展異形柱框架結構和短肢剪力墻結構。因其能較好地滿足建筑使用上和結構上的要求，很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結構的缺陷，而得到了推廣和應用。下面對這兩種新的高層住宅結構形式的受力特點、結構分析及構造要求進行闡述。

1 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。這種結構的特點如下。

（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/EI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）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。

2 異形柱框架結構的計算

在國家現行規范中沒有給出異形柱框架結構的設計計算方法，工程實踐，提出異形框架結構應滿足的一些結構構造要求。利用現有的計算機軟件，用普通框架結構分析出矩形柱的內力和實際配筋，然后利用以下的敘述方法，用異形柱替代矩形柱，就可以快速而精確的分析出異形柱框架結構的內力。

2.1 等剛度原理

框架結構梁、柱內力的分配只和剛度相關（i=EI/L），剛度大的柱將分配到較大的水平力，因此，在計算時通過剛度相等原理，把T形、L形、十字形柱換算成矩形柱，進人相關的PK軟件程序，根據內力可算出正確的配筋。

2.2 柱軸壓比的控制

根據規范（GBJ10-89）規定，抗震設計時，框架柱在豎向荷載與地震作用組合下的軸壓比宜滿足軸壓比限制（N/fcmbh）。柱軸壓比反映柱構件的變形能力，是影響柱破壞形態的重要因素。因此須嚴格控制柱軸壓比，同時避免柱凈高與柱肢長之比小于4的短柱。異形柱框架結構和普通框架結構不僅柱截面進行剛度代換，而且還需柱截面面積相等原則進行計算，即同時滿足下面三式：

A>AR （1）

Ix>IRx （2）

Iy>IRY （3）

式中A，AR為異形柱及等效矩形柱截面積；

IX，IY，IRX，IRY為異形柱及等效矩形柱截面X，Y向主形心慣心矩。

2.3 異形柱肢支的取用

豎向荷載是通過梁傳遞給柱的，由于異形柱的柱肢較長，支撐反力作用點距柱形心較遠，故異形柱在豎向荷載作用下，一般處于雙向偏心受壓狀態。異形柱肢長過長，對結構受力性能不利。異形柱可能因柱肢端受力過于集中而發生失穩破壞，或者異形柱局部承壓面積過小，而喪失承載能力。實際設計中異形柱肢長究竟在什么范圍內才可取面積等效的矩形計算？根據國內外有關資料，肢厚比應不大于4，小墻肢的截面高度不宜小于3bw（JGJ3-2010），同時滿足柱凈高與截面長邊尺寸或等于4。

2.4 其它結構構造措施

框架結構體系應布局合理，剛度均勻，柱布置宜規整對齊，傳遞內力明確，并應滿足抗震設計中軸壓比限制，實現強柱弱梁、強剪弱彎、提高框架柱的延性。異形柱箍筋加密區及柱肢內縱筋間距應滿足普通框架結構矩形柱的有關規范。

3 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如圖1所示。

（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。

（3）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。

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。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—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。

（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；

（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，上一些模型試驗反映出外周邊肢開裂，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。

（5）高層結構中的邊梁是一個耗能構件，在短肢剪力墻結構中，墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調，使期設計內力降低，應按普通框架梁要求，控制砼壓區高度，其梁端負彎矩筋可由塑性調幅70%～80%來解決，按強剪弱彎，強柱弱梁的延性要求進行計算。

總之，在結構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。

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