淺談多、高層住宅異形柱-框剪結構設計

李 江（中航長沙設計院有限公司，湖南長沙410000）

淺談多、高層住宅異形柱-框剪結構設計

李 江（中航長沙設計院有限公司，湖南長沙410000）

本文結合工程實例綜合分析了多、高層住宅異形柱-框剪結構體系的結構計算分析、截面設計等，針對設計中可能遇到的問題給出了自己的做法。

結構設計；異形柱；短肢剪力墻

隨著商品住宅建筑在我國城市建設中的發展，對多、高層住宅建筑中的建筑設計布局有新的要求，小開間特別是臥室內的外露框架柱已越來越不能被業主所接受，因為它直接影響到室內家具的布置及空間的使用。異形柱-框剪結構體系在住宅中的運用，在很大程度上克服了普通框架與剪力墻結構的缺點，受到了建筑師、業主的肯定和歡迎。以某住宅第21號樓為實例，本文綜合分析了多、高層住宅異形柱-框剪結構體系的結構計算分析、截面設計等，針對設計中可能遇到的問題給出了自己的做法。

1 工程概況

該工程位于長沙市區。建筑層數為11+1層，底層為雜物間層，頂層為躍層式住宅，建筑高度為34.85m。為小高層住宅，建筑面積為6461.4m2。工程平面為“┖┓”形，長向43.16m，短向30.6m，每層兩單元。21號樓一個單元的標準層結構平面見圖1，剖面見圖2。

圖1 標準層結構平面布置圖

2 結構設計

2.1 結構體系

本工程采用異形柱-框剪結構體系，在單元中部電梯間布置剪力墻核心筒，樓梯位置設兩道普通剪力墻，在Q軸上設一道普通剪力墻，形成一個較完整的筒體，作為承受豎向荷載和抗側力的主要構件；在平面外圍設置異形柱和適量的短肢剪力墻，通過框架梁與連梁和中心筒體連成一個整體，以構成整棟建筑的結構承力體系。

2.2 結構計算分析

圖2 1-1剖面圖

本工程為十三層異形柱-框剪結構，抗震設防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅱ類場地土。框架、剪力墻抗震等級均為三級。如何合理確定異形柱及（短肢）剪力墻的數量及墻肢的長度，有效地控制結構位移，加強結構的整體剛度，是本工程設計的重點。

本工程采用建研院PKPM系列的SATWE程序，此程序采用空間桿-墻組元分析方法，其計算模型符合實際情況，精度較高，計算結果合理、經濟。

本工程根據以下兩種情況分別進行了計算：

（1）第1～5點采用異形柱；

（2）第1～5點采用短肢剪力墻。

對兩個模型進行對比、分析的部分結果詳見表1。

從表1可以看出，第二種模型的δ1、δ2也就是位移有了明顯的改善，特別是在地震荷載作用下，第一種模型時，δ2=1/ 1636，第二種模型減小到1/1966，柱傾覆彎矩百分比也小于50%，也就是墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩大于結構總底部地震傾覆力矩的50%。此外，建筑物的自振周期也由1.6796s降低為1.4666s。

對照高規[1]的規定，可知采用短肢剪力墻后，結構整體剛度有所提高，周期、位移等各項指標均能滿足要求，而且也同時滿足了長沙市建設委員會關于 《長沙市鋼筋混凝土異形柱框架結構設計若干規定》（以下簡稱《長規定》）的通知[2]。故以第二模型做為最后施工圖的計算模型。

表1 第21棟在地震、風荷載作用下的部分計算結果

同時在計算分析時應注意：

（1）文獻[3]指出，對于肢高寬比不大于4.0的異形柱，其長細比較大，變形后仍基本符合平截面假定，力學特性接近于柱。故計算時異形柱應按第2、5、6類型截面來定義，而不應將異形柱按剪力墻建模輸入。這樣才能符合結構實際的力學模型，最后求得合理的內力和配筋。本工程第21棟異形柱按第2、5、6類型截面來定義。

（2）文獻[3]指出，從構件力學特性上來說，短肢剪力墻的肢長與肢厚之比為5～8，更接近于剪力墻，故計算時將其作為剪力墻而不是柱來考慮應更加合理。本工程短肢剪力墻的墻厚為200mm及250mm。

（3）在異形柱-框剪結構中，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，計算時應按普通框架梁要求，控制混凝土的受壓區高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調幅70～80%來解決，按強剪弱彎、強柱弱梁的延性進行計算。本工程把連梁剛度折減系數為0.7和0.4分兩種情況計算，前者作為短肢剪力墻間的連梁計算結果，后者作為一般剪力墻間的連梁計算結果，以區別對待。

3 截面設計

3.1 異形柱

在異形柱-框剪結構中，柱的延性對于柱耗散地震能量、防止框架倒塌，做為結構抗震的第二到防線起著十分重要的作用。天津大學的試驗研究結果表明[4]：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長比（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。作為異形柱延性的保證措施，必須嚴格控制軸壓比，同時避免高長比小于4（短柱）。現行國家規范對此并無具體要求，可參考地方法規，如《長規定》的異形柱框架-筒體（或一般剪力墻）結構中柱的軸壓比不應大于0.75。本工程標準層層高為2.7m，柱凈高2.2m，異形柱截面尺寸為200×550，250×550。柱高長比為4，最大的軸壓比為0.60，滿足要求。

3.2 短肢剪力墻

短肢剪力墻常用的配筋形式和構造要求基本同一般剪力墻。即墻肢端部的邊緣構件和墻肢中部部分，SATWE軟件也是按照此種形式給出計算結果。計算縱筋配置于邊緣構件內，墻肢的豎向分布筋布置于墻肢的中部區域。

振動臺模擬地震試驗結果表明[5]，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等，是此類結構的抗震薄弱環節。設計中，應當加強位于建筑外邊緣及角點處的短肢剪力墻的延性抗震構造措施 （本工程短肢剪力墻DZQ4的配筋如圖3），避免將“一”字形墻肢布置在建筑的外邊緣及角點處。針對此，我們更應加強概念設計和構造措施。例如適當增加建筑平面外邊緣及角點處墻肢厚度，對底部外圍的小墻肢根據需要截面可加厚，并加強墻肢端部的暗柱配筋，嚴格控制墻肢的軸壓比以提高墻肢的承載力和延性。同時，墻肢底部加強部位的配筋應符合規范要求。

圖3 DZQ4配筋

4 結語

總之，異形柱-框剪結構此種結構形式，有一定的市場需求，在設計中應重視概念設計，根據其結構形式的特點，通過合理的結構布置，正確掌握計算機分析方法和截面配筋，其結構才能做到安全適用、技術先進、經濟合理。

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）.

[2]長沙市建設委員會關于《長沙市鋼筋混凝土異形柱框架結構設計若干規定》的通知.長建發[2003]194號.

[3]張晉，等.異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結構體系.建筑結構，2001，7.

[4]趙艷靜，等.鋼筋混凝土異形截面雙向壓彎柱延性性能的理論研究[J].建筑結構，1999，29（1）.

[5]程紹革，等.高層建筑短肢剪力墻結構振動臺試驗研究[J].建筑科學，2000，16（1）.

TU973+.1

A

2095-2066（2016）05-0162-02

2015-12-25

李 江（1972-），男，高級工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。