高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構受力分析與設計

詹忠锜

（江蘇南京熱電工程設計院有限責任公司，江蘇 南京 211100）

高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構受力分析與設計

詹忠锜

（江蘇南京熱電工程設計院有限責任公司，江蘇 南京 211100）

文章首先分析高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構的受力，在此基礎上論述高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構的設計方法。期望通過研究能夠對短肢剪力墻和異形柱結構在高層建筑中的推廣應用有所幫助。

高層建筑；短肢剪力墻；異形柱

1 高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構的受力分析

1.1 短肢剪力墻的受力分析

當組合截面的高度一定時，如果洞口開的較大，則墻肢的截面高度較小且墻肢本身較弱，若是洞口開的較小，則墻肢較強。而墻肢為矩形截面且其上沒有洞口開設時，可以達到最小值0.75。由此可見，能夠使用值對短肢剪力墻墻肢的強弱程度進行鑒別。相關研究結果表明：墻肢處于較強的狀態，而時，墻肢則處于較弱的狀態，根據這一研究結果，可以判斷為墻肢系數。通常情況下，主要與以下因素有關：樓層數、荷載形式、α的大小等，的值越小，說明墻肢越強，的值越大，則說明墻肢越弱。

（2）整體性系數（α）。在短肢剪力墻結構當中，α反映全部連梁總的轉角剛度與全部墻肢的抗彎剛度的比值。α的值越大，墻肢越弱，連梁越強，在這種情況下的整體性較好；α的值越小，則表明墻肢越強，連梁越弱，此時的整體性相對較差。通過實驗獲得了如下數據，即α≥10為墻肢弱、連梁強，α≤10為墻肢強、連梁弱，兩種情況下的墻肢與連梁強弱均是相對而言的。在墻肢弱連梁強的狀態下，還包含了如下兩種情況：①墻肢弱，梁比墻肢強；②墻肢本身強，但梁比墻肢更強。具體分析中，可以將一些因素對連梁的影響忽略不計，如剛域、軸向變形等，由此可以得出m列規則形狀洞口的開洞剪力墻整體性系數 。換言之，整體性系數α是所有連梁轉角剛度和與所有墻肢線剛度和的比值，它所描述的是短肢剪力墻各個墻肢彎曲剛度與局部剪切剛度及整體彎曲剛度間關系的綜合性指標[1]。

1.2 異形柱的受力分析

在高層建筑當中，異形柱結構具體是指截面形狀為工字形、十字形、T形、Z形、L形的混凝土結構柱，通常情況下，異形柱的肢長與肢厚的比值應當≤4。

（1）力學特性。在等肢的前提條件下，L形異形柱的形心主軸方向為45°和135°，對應的慣性矩分別為最大和最小值。而T形異形柱的形心主軸方向為0°和90°，對應的慣性矩在其截面各方向上的最大和最小值。

（2）受力分析。異形柱而言的結構決定了其受力特點和抗震性能。沒有對稱軸或是僅有1～2根對稱軸的異形柱，在不同的方向上的剛度有所不同；在雙向壓彎的受力狀態下，異形柱的中和軸與彎矩作用平面基本不會出現垂直現象，也不會與截面邊緣平行；當材料的強度、配筋率以及截面積全部相同時，T型截面上的雙向壓彎構件正截面的承載能力要高于L形異形柱[2]。

2 高層建筑短肢剪力墻與異形柱結構的設計方法

2.1 短肢剪力墻的設計方法

（1）布設的基本原則。高層建筑在布設短肢剪力墻時，除了應當滿足均勻、對稱、連續等要求之外，還應當對如下事項加以注意：①短肢剪力墻的平面應當盡可能規則和簡單，可以沿兩個主軸的方向進行雙向布設，同時這兩個方向上的側向剛度差應當控制在規范允許范圍之內。在對短肢剪力墻進行抗震設計時，必須采用雙向有墻的結構形式；②短肢剪力墻的側向剛度應當盡量控制在合理的范圍內，盡可能不要過大。較大剛度的剪力墻在高層建筑中均勻布置時，可以使其作用得以充分發揮，由此可以使建筑本身的重量有所減少，內部可利用空間會隨之增大。為使結構具有適宜的側向剛度，并出于經濟性考慮，短肢剪力墻不宜布設的過于密集，只需要滿足設計要求即可；③可按照建筑中開間的實際尺寸及樓板的跨度對墻肢間距進行合理取值，規范要求3～8m。如果墻肢的間距過小，則會造成結構的剛度過大，不利于抗震；④為防止豎向突變問題，布設短肢剪力墻時，確保其上下連續、貫通到頂，厚度可逐漸減小；⑤短肢剪力墻上的門窗洞口應當布設的規則、整齊，盡可能確保上下對齊，同時要保證墻肢與連梁構件之間的連接明確，洞口的大小盡量一致。抗震設計時，位于底部加強部位的洞口必須嚴格布設，其抗震等級應當為一、二、三級剪力墻，不宜采用錯洞墻[3]；⑥當短肢剪力墻與平面外相交的樓面梁以剛接的方式進行連接時，可以沿著樓面梁軸線的方向布設與梁相連接的短肢剪力墻或是在墻體內部設置暗柱。此外，不宜將樓面主梁支撐在短肢剪力墻或是核心筒的連梁上；⑦高層建筑進行抗震設計時，剪力墻不得全部采用短肢形式，對此相關規范中有著非常嚴格的規定。對于不適宜設置短肢剪力墻的高層建筑結構而言，如抗震設防烈度為9度、高度在B級以上的，均不宜設置過多的短肢剪力墻。如果主結構當中的短肢剪力墻數量過多，會影響結構的抗震性能，具體設計時必須對此予以注意。

2.2 異形柱的設計方法

雖然目前相關的技術已經較為成熟，但是想要對某個區域的地震作用進行計算精確還存在一定的難度。如果高層建筑中采用異形柱結構體系，因其力學性質比較特殊，具體設計時，應當選擇適宜的方法。通過對以往成功的案例進行分析總結，并依據現行的規范標準，提出高層建筑中異形柱的一些設計方法。

（1）平面布置。在相對獨立的結構單元當中，異形柱應當采用雙向布置的方式，結構的平面形狀應當盡可能規則、對稱，剛度的分布應當均勻，同時要保證質量。此外，要盡可能使建筑內房屋的質量中心與異形柱的剛度中心相重合，這樣可以有效減小扭矩帶來的不利影響，避免扭矩效應的產生。具體做法如下：對結構布設的非均勻性進行限制，防治結構過大偏心的產生，同時，結構本身的抗扭剛度不宜過弱。

（2）豎向布設。在對異形柱結構體系進行布設的過程中，確保其豎向的質量部分與剛度變化均勻。外挑和內收均不可過大，以免引起結構質量或是剛度突變的問題發生，進而引起薄弱層蘇醒變形集中的問題。

（3）抗震等級是確定結構構件抗震措施的主要標準之一。現行規范將其分為四個等級，因異形柱的結構性能較為特殊，在充分考慮建筑高、地震反應大的情況下，必須對異形柱結構的抗震等級進行合理確定，具體可按照建筑結構的類型、房屋高度以及抗震烈度等指標進行確定[4]。

（4）軸壓比。在影響結構延性的指標中，軸壓比是較為重要的指標。我國現行的GB50011規范中對軸壓比進行了限制，這樣做的主要原因是位移軸壓比會隨著延性軸壓比的增大而減小。如果受壓區域的高度較小，則可能導致偏心破壞，所以必須通過相關計算合理確定最大軸壓比限值。

3 結束語

綜上所述，短肢剪力墻和異形柱以其自身所具有的特殊力學性質，在高層建筑中獲得了應用。為使兩者的作用能夠獲得充分發揮，需要對其結構受力情況進行分析，由此可以為設計提供依據。

[1]郝省玲.裝配整體式預制預應力L型短肢剪力墻的抗剪性能分析[D].長安大學.2012.

[2]孔令倉.框支短肢剪力墻結構布置及落地墻抗震性能的研究[D].西安建筑科技大學.2014.

[3]羅政楠.RC異形柱框架—剪力墻結構在地震作用下的動力特性分析[D].西安建筑科技大學.2013.

[4]岳亞鋒.異形柱—密肋復合墻結構抗震性能及全壽命周期設計方法研究[D].西安建筑科技大學.2014.

[TU208.3]

A

2096-2789（2016）12-0216-02