異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)在小高層建筑中的應(yīng)用

郭培成

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程系 福建漳州 363123)

異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)在小高層建筑中的應(yīng)用

郭培成

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程系 福建漳州 363123)

通過異形柱框架－剪力墻和框架兩種不同結(jié)構(gòu)體系在適用性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性方面以及在地震作用下其它各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)計算對比，分析可知異形柱框－剪結(jié)構(gòu)在小高層建筑應(yīng)用中更合理。

異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu);框架結(jié)構(gòu);小高層

0 引言

近三十年來隨著城鎮(zhèn)化不斷發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，房地產(chǎn)行業(yè)也迎來了空前的發(fā)展。

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市用地日益緊張，多層建筑已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求，高層建筑一般一梯多戶的格局，會出現(xiàn)朝向不好的問題，于是小高層(小高層一般定義為7層至12層)住宅隨之應(yīng)運(yùn)而生。小高層住宅一般采取一梯兩戶的格局，它解決了多層、高層的問題。

但對于小高層住宅建筑來說，普通剪力墻結(jié)構(gòu)布置不夠靈活，會影響到美觀和使用;框架結(jié)構(gòu)又會引起室內(nèi)的凸出，影響了建筑觀瞻;異形柱框架－剪力墻采用柱、梁、墻等厚度(寬度)，解決了框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)柱角和梁邊外露、占據(jù)空間、影響美觀和使用的問題。異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)作為未來我國小高層住宅建造中推廣的主要形式之一，具有良好的發(fā)展前景。

1 異形柱結(jié)構(gòu)及工程概況

1.1 異形柱

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 149－2006)［1］明確提出:異形柱是指截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高與肢厚之比不大于4的柱。因?yàn)檫@種條件下異形柱在偏心受壓狀態(tài)下的應(yīng)變基本符合平截面假定，其力學(xué)性能符合柱的特征。

1.2 異形柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

天津市最早研究和應(yīng)用異形柱框架和異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，山東省、廣東省、江蘇省、安徽省、陜西省在異形柱結(jié)構(gòu)方面也發(fā)展較快。

1.3 異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)

異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)是由剪力墻和異形柱兩種不同受力構(gòu)件組成，共同承擔(dān)所有豎向和水平荷載。剪力墻為主要抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分地震或風(fēng)產(chǎn)生的剪力以及傾覆力矩。因?yàn)樗鼈冎g剛度和強(qiáng)

本文擬通過異形柱框架－剪力墻和框架兩種不同結(jié)構(gòu)體系在適用性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性方面以及在地震作用下其它各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)計算對比，比較結(jié)果表明了異形柱框－剪結(jié)構(gòu)在小高層建筑應(yīng)用中更合理。度差別較大，合理地布置剪力墻和異形柱的位置及截面尺寸尤為重要，這將會影響到它們之間是否合理地協(xié)調(diào)工作，這是設(shè)計中應(yīng)該注意的。

本文以一棟11層小高層住宅建筑為研究對象，采用異形柱框－剪結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計，用框架結(jié)構(gòu)補(bǔ)充計算，應(yīng)用大型有限元分析軟件SATWE對它們進(jìn)行了動力特性分析比較。

1.4 工程概況

山東省文登市某住宅小區(qū)11層，無地下室，一層為店面，其它為住宅，建筑高度37.6m，總建筑面積5 782.6m2。該項(xiàng)目采用異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，如圖1所示，結(jié)構(gòu)高度34.7m(異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)在該條件下，最大適用高度40m)，該結(jié)構(gòu)高寬比2.97 (異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用為4.5)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，地震分組第一組，基本風(fēng)壓0.65，基本雪壓0.55，建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別Ⅱ類，設(shè)計基準(zhǔn)期50，使用年限70年，結(jié)構(gòu)安全等級二級;異形柱框架剪力墻中剪力墻抗震等級均為三級，異形柱框架為二級;框架結(jié)構(gòu)中框架抗震等級均為二級［4－5］。采用PKPM三維空間計算軟件，在水平地震作用下，進(jìn)行地震內(nèi)力和位移計算，如圖1所示。

圖1 異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖

結(jié)構(gòu)布置圖關(guān)于6軸線對稱。L形柱采用等邊，肢長為800mm，肢厚為200mm;T形柱采用等邊，肢長為800mm，肢厚為200mm;剪力墻長邊1 600mm，短邊長600mm，墻厚度200mm;框架結(jié)構(gòu)按照截面面積相等將異形柱換成方形柱截面為530mm×530mm，剪力墻換成方形柱截面為635mm×635mm，替換原來的構(gòu)件，位置不變，兩種結(jié)構(gòu)所用框架梁和非框架梁截面均相同。

2 計算結(jié)果及其分析比較

異形柱框架剪力墻與框架結(jié)構(gòu)比較分析結(jié)果如表1所示。

表1 計算結(jié)果比較

2.1 兩種結(jié)構(gòu)用鋼量的比較

異形柱框架－剪力墻較多，兩者相差5.56%，主要原因是剪力墻構(gòu)造要求高，配置鋼筋較多，其次異形柱中箍筋用量也較多，兩者梁所用鋼筋量相當(dāng)，總體用鋼量差別不大，對結(jié)構(gòu)整體造價影響不大。

2.2 軸壓比計算比較

軸壓比是指組合的軸壓力設(shè)計值與墻柱全截面面積與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值乘積的比值，兩種結(jié)構(gòu)最大軸壓比均未超過規(guī)范規(guī)定限值，比較接近限值，延性都會明顯下降，尤其是框架結(jié)構(gòu)(單純抗側(cè)力體系)，柱延性較差帶來的后果嚴(yán)重性超過異形柱框架－剪力墻(該體系為雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu))。為了避免延性下降過多，應(yīng)加大柱截面尺寸。

2.3 底層框架占傾覆力矩的比較

異形柱框架－剪力墻底層框架占傾覆力矩大于10%，小于50%，符合規(guī)范按框架－剪力墻進(jìn)行計算。在實(shí)際工程中，該數(shù)據(jù)比較合理的范圍應(yīng)該為20%～30%，另外剪力占30%左右，異形柱框架部分和剪力墻的側(cè)向剛度分配比較合理。規(guī)范規(guī)定樓層受剪承載力之比不宜小于0.8，不應(yīng)小于0.65，框架結(jié)構(gòu)該項(xiàng)數(shù)據(jù)0.81，顯示該結(jié)構(gòu)比較接近薄弱層(本層小于上一層的0.8)，則定義為需要調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗剪能力，以免在地震作用下，該部位變形較大以致倒塌;頂層最大側(cè)移框架結(jié)構(gòu)較異形柱框架－剪力墻大13.7%，主要原因剪力墻剛度較大，而純框架結(jié)構(gòu)剛度較小所致。因此，純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行小高層以及高層設(shè)計，有必要加強(qiáng)其剛度，保證建筑物有足夠能力抵抗變形，不影響正常的使用。

2.4 層間位移比比較

層間位移比是反映結(jié)構(gòu)是否平面扭轉(zhuǎn)規(guī)則，大多數(shù)結(jié)構(gòu)破壞都是由于扭轉(zhuǎn)不利導(dǎo)致，即使是對稱結(jié)構(gòu)，地震或風(fēng)荷載作用下也會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。在工程中，無法準(zhǔn)確計算扭轉(zhuǎn)，只能從設(shè)計方案、抗側(cè)力構(gòu)件布置、連接構(gòu)造上面去減少扭轉(zhuǎn)帶來的不利影響。

異形柱框架－剪力墻位移比小，主要原因是剪力墻布置在扭轉(zhuǎn)不利的四周，尤其是短方向，形成較大的抗扭剛度，框架結(jié)構(gòu)抗扭剛度主要由柱和梁貢獻(xiàn)，但是它們的剛度尤其在平面內(nèi)和剪力墻比太小了。

2.5 扭轉(zhuǎn)位移比比較

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9［2］。周期比同位移比的控制一樣，周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大(相對于側(cè)移)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。框架結(jié)構(gòu)周期比0.93(主要原因第二振形為扭轉(zhuǎn))大于規(guī)定值0.90，違反了“強(qiáng)規(guī)”，該結(jié)構(gòu)方案需要重新調(diào)整和布置。周期比大于0.9，如同樓層位移比大于1.5，屬于嚴(yán)重不規(guī)則體系。

2.6 周期與剛度的分析比較

周期的大小和剛度有關(guān)系，一般來說，剛度越大周期越小。從表1中可以看出，異形柱框架剪力墻周期小，因?yàn)樗膭偠容^純框架結(jié)構(gòu)大。有兩方面原因:第一，在相同截面面積下，T形截面慣性矩約為矩形柱截面積慣性矩的1.10至1.20倍之間，對L形截面則在1.15至1.30倍之間;那么，在柱截面積相同的情況下，異形柱的雙向抗彎剛度通常要大于矩形柱。第二，在該結(jié)構(gòu)中，剪力墻在與柱相同面積的情況下，剛度約為柱的5倍［3］。

2.7 振型系數(shù)的分析

異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)第一振型為Y方向的純平動，第二振型為X方向的純平動，符合高層設(shè)計第一、第二振型最好為平動，并且平動系數(shù)越大越好，可以判斷該結(jié)構(gòu)整體抗扭轉(zhuǎn)性好。在實(shí)際工程設(shè)計中，一般確保第一、第二振型對應(yīng)的平動系數(shù)大于0.80。而框架結(jié)構(gòu)第一振型為平動，且平動系數(shù)為1，大于規(guī)范規(guī)定的0.80，符合要求，但是第二振型為扭轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)十分不利，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整。

3 異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)造要求

為了避免短柱，異形柱要求柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比宜大于4;梁的凈跨與截面高度的比值不宜小于4;梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4和200mm;異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm;異形柱的剪跨比宜大于2，抗震設(shè)計時不應(yīng)小于1.5。為了保證異形柱有較好的延性和耗能，剪力墻的要求可以執(zhí)行相關(guān)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。

4 結(jié)語

(1)采用異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，體系空間整體性有所加強(qiáng)，各階自振周期縮短，結(jié)構(gòu)頂層側(cè)移減小，各層層間位移減小，結(jié)構(gòu)周期比及位移比較框架減小，整體抗震性能有所提高。

(2)異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)布置過程中，剪力墻的數(shù)量不宜過多，以保證異形柱在地震作用下底部剪力和傾覆力矩滿足相關(guān)要求;另外，剪力墻盡量布置在四周，提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)效果。

(3)異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)在滿足適用、美觀的情況下，承載力和經(jīng)濟(jì)效果也比較理想。

(4)異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)的應(yīng)用較少，還需要加大力度進(jìn)行理論和實(shí)踐研究。

［1］ JGJ 149－2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版，2006．

［2］ JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版，2010．

［3］ 閆光宇．剪力墻數(shù)量與空間位置對框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究［J］．中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013(4): 119－119．

［4］ GB50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版，2010．

［5］ GB5009—2006建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版，2006．

Frame－shear wall structure with special－shaped columns in the application of the small high－rise buildings

GUO Peicheng
(Civil Engineering Department，Xiamen University Tan Tah Kee College，Zhangzhou 363123)

in this paper，the frame－shear wall structure and frame structure with special－shaped columns in the application of small high－rise is analyzed，through the applicability，beautiful sex，economy and other various structure under seismic action index calculation comparison，it is concluded that the special－shaped column frame－shear structure in small high－rise application more reasonable.

Special－shaped column frame－shear wall structure;Frame structure;The small high－rise

TU3

A

1004－6135(2017)02－0042－03

郭培成(1978．11－ )，男，講師。

E-mail:guopeicheng11@126．com

2016－11－14