異形柱與短肢剪力墻設計的幾個問題

吳廣輝

[摘要]異形柱和短肢剪力墻以其更能滿足當代建筑設計需求的特點，越來越多的被使用，本文簡單分析了異形柱與短肢剪力墻設計中的幾個問題，希望能給相關人士帶去靈感。

[關鍵詞]異形柱；短肢剪力墻；SATWE

人們對于生活水平的要求越來越高，所以對于住宅的審美要求也在不斷加強，所以為了減少住宅建筑柱楞出現次數過多，異形柱與短肢剪力墻近幾年被廣泛應用在住宅建筑中。異形柱通常以工字型、十字型等五種形式出現在建筑中，比如L型的異形柱多為角柱，T型的異形柱多設計為邊柱。異形柱在不同高度的建筑中應用體系也不相同，如框架斜撐結構一般應用于中高層。

由于異形柱和短肢剪力墻結構大多不規則，所以對于其進行計算時常應用可以進行三維分析的軟件，多以TAT，SATWE為主，兩種計算方式原理不同，但各有優缺點，應用電子計算機進行異形柱和短肢剪力墻的計算，大大少了計算的不確定性和準確性，也可以準確的應用軟件，有效確保建筑的穩定可靠。

1異形柱設計注意事項

1.1異形柱受力特點

異形柱的長和厚度比例一般小于4，在異形柱受力時，其邊緣不平行，彎矩不垂直，就會影響中軸的形式，鋼筋混凝土的配比也會受到影響。不同形狀的異形柱的壓力承受度也各不相同，異形柱由于在柱內會隨著受力產生剪應力，因此也就造成其延性較差。

1.2異形柱的動力計算

異形柱的計算不常使用三維模型，多數時候應用等效剪切模型。此模型主要利用質量陣、阻尼陣、剛度陣，在加上各層樓板相對地面的水平加速度、速度向量、位移向量以及在水平地面運動時的加速度，這七個數據進行異形柱的動力計算。經過測試發現在異形柱受力后的彈性階段計算較為簡單，但是其前提是要得到異形柱的恢復力模型，但是由于計算恢復力曲線較為耗費時間，所以在進行異形柱動力計算式多數情況下以直線取代恢復曲線。

1.3異形柱設計中的計算機分析部分

三維形式的異形柱結構構建形式太多，所以在計算內力和變形時通常使用計算機進行計算，以減輕人工負擔，也節省時間。在建立計算機模型時要注意模型的簡化和合理，也要做到符合建筑條件以及實際情況，并且最好制作兩個不同的計算機模型進行計算，來確保計算的準確性。在異形柱的計算中最常使用的軟件是TAT以及SATWE，其中TAT是應用空間桿+薄壁柱的計算模式，是典型的振型計算；SATWE是應用空間桿+墻園的計算模式，是時程計算方式。

SATWE計算時是扣除梁的剛域后對梁進行的計算，通過梁兩端的長度來考慮異形柱的動力計算模型。此軟件的輸入方式相對TAT較為簡單，符合梁的就按照梁的條件輸入，符合異形柱的就按照異形柱條件輸入，符合剪力墻的就按照剪力墻的條件輸入，全部的構件都輸入好以后，就可以進行分析了。

1.4異形柱的正截面承載力計算

異形柱的界面是很獨特的存在，在受力時，一般對于其承載力都是應用計算機進行計算。對于截面承載力的幾段一般是通過數值積分來進行，對于正截面的承載力計算時要保證正截面保持穩定，應用應力一應變曲線來實現理想彈性模型，之后運用數值積分進行分析計算。

1.5異形柱的延性

由于地震作用具有較強的不確定性，要求結構在強烈地震作用下保持在彈性狀態是不經濟的。既安全又經濟的抗震設計允許結構在強烈地震作用下破壞嚴重，但不應倒塌，抗震設計的特點是依靠彈塑性變形消耗地震能量。延性是指結構或構件在強度沒有實質性降低的情況下，通過大幅度塑性變形來耗散地震能量的能力。在強烈地震的作用下，結構進入彈塑性階段，因此，應重視異型柱結構在彈塑性階段的變形能力。

1.6異形柱設計的一些問題思考

異型柱的截面尺寸應通過軸壓比，自振周期兩個參數來控制。一般需進行多次試算方可確定。應使以下幾個比值在合理范圍內：（1）軸壓比可控制結構的延性。（2）剪重比可控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性。（3）剛度比可控制結構豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。（4）周期比可控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響。（5）剛重比可用來減小重力二階效應，保證結構的整體穩定性。

2短肢剪力墻設計注意事項

短肢剪力墻的高與厚比例一般在5～8之間，其形狀和異形柱相似的，如T型，但也有不同，如+型。對于軟件來說，在設定短肢剪力墻高度以及厚度時候要注意符合其范圍。

2.1短肢剪力墻受力特點

短肢剪力墻由于其高且細的構造，延性比異形柱好，出現問題時通常是連梁先出現破壞，然后引起墻肢出現問題。短肢剪力墻的翼緣以及腹板在受力時會受到較大壓力，所以對于翼緣的建造尤為重要。

2.2短肢剪力墻的布置

在布置短肢剪力墻時要注意使結構的力量傳輸路線明確，避免受力點集中于某一部分，要結合專業的建筑設計方案，讓短肢剪力墻既經濟又能滿足建筑需求。短肢剪力墻在布置時要避免剪力墻的受力集中在一個點，要盡可能符合對稱原則，以此減小其扭轉周期。

2.3短肢剪力墻的動力計算

短肢剪力墻在進行動力計算時多用串聯質點模型來計算。此模型認為一個質點擁有一個自由度，所以這個體系的動力特性就是n個振型有n個自振周期。

2.4短肢剪力墻的設計原則

短肢剪力墻在設計方面與一般的剪力墻相同，因此要計算好短肢剪力墻的正面承載力，短肢剪力墻的剪力值設計，也要保證符合規范，避免短肢剪力墻使用壽命過短。

2.5短肢剪力墻設計中的軟件計算

在不考慮剪切變形對于短肢剪力墻的影響前提下，以薄壁理論為基礎來計算，但由于在實際計算時會發現實際與假設不符，所以短肢剪力墻多數通過SATWE軟件來進行計算。在計算時，要考慮到短肢剪力墻各層之間的剛度以及各層間自由度，然后以剛度矩陣模型進行分析，以此計算出位移以及各個構件的內力。

2.6短肢剪力墻的設計原則

（1）由于短肢剪力墻結構體系的特殊性，結構專業應較早參與建筑方案的確定，完畢后即可進行結構布置。（2）確定短肢剪力墻體系構件尺寸和材料。（3）荷載計算，包括樓面恒載、活載、填充墻荷載計算、風荷載和地震作用計算。（4）結構的內力計算和側移驗算。（5）內力組合。（6）截面設計，包括梁、柱、墻設計，樓板設計，樓梯設計。（7）計算合理性分析，計算機分析和人工判斷同時兼顧。

3結語

綜上所述，現階段我國關于異形柱和短肢剪力墻的應用越來越廣泛，但是異形柱和短肢剪力墻的設計中，在計算部分卻相對薄弱，準確度和速度性都不算很好。在異形柱和短肢剪力墻的設計中，設計者既要保證對于二者的特性完全了解，也要保證可以準確使用設計所用軟件流程，如此才能設計出最適合的建筑結構。