異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系的思考

陳勇

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司 貴州遵義 563000）

引言

在建設(shè)高層住宅樓時(shí)，需要用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)多種多樣，其中比較常見(jiàn)的是通過(guò)豎向交通區(qū)設(shè)置剪力墻。這樣就能組成一個(gè)比較完整的筒體。與框架相比，剪力墻有一定的優(yōu)勢(shì)，所以在實(shí)踐的過(guò)程中，逐漸將剪力墻和框架的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，就形成了如今的短肢剪力墻。異性柱框輕結(jié)構(gòu)體系和高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系是小康住宅建筑結(jié)構(gòu)體系中最為常用的兩種。

1 異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系

1.1 異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系的不足之處

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探究，總結(jié)異形柱框輕結(jié)構(gòu)的適用范圍，共有三種適用情況，一是某地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度或者是Ⅶ度以下，二是房屋的高度不超過(guò)27m，三是房屋的柱網(wǎng)尺寸小于或等于7.2m。在實(shí)際運(yùn)用異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中存在一定不足之處。扁柱在該結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用最多，具體的操作會(huì)保證扁柱的一個(gè)方向與房屋的梁連接起來(lái)。由此可見(jiàn)，扁柱與房屋梁的連接點(diǎn)較少，也意味著這個(gè)連接點(diǎn)需要承載較大的壓力。這會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系造成一定不良的影響，因?yàn)槿鄙倭酥苯涣旱募s束，結(jié)構(gòu)抗剪切力的面積會(huì)比較小，容易發(fā)生不良的形變現(xiàn)象。在架設(shè)鋼筋的環(huán)節(jié)中，由于節(jié)點(diǎn)面積過(guò)小，操作會(huì)非常不容易，而進(jìn)一步的混凝土澆筑施工會(huì)更加不容易，這會(huì)導(dǎo)致房屋穩(wěn)定性較差。對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震模擬實(shí)驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中無(wú)法抵抗地震能量，繼而遭到了嚴(yán)重的破壞。所以要想讓房屋有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在未來(lái)的建筑工程中不能再繼續(xù)使用這樣的節(jié)點(diǎn)方式，應(yīng)該避免房屋存在安全隱患，要讓人們的人身財(cái)產(chǎn)安全獲得保障[1]。

1.2 異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用注意事項(xiàng)

異形柱框輕結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系相比，有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)。體現(xiàn)在便于使用上，而且可以適當(dāng)?shù)卦黾邮褂妹娣e。這一結(jié)構(gòu)體系的支厚基本上與填充墻相等，在室內(nèi)環(huán)境中也不會(huì)出現(xiàn)柱楞。另外還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在材料上，墻體制作使用的材料質(zhì)量很輕，同時(shí)具備保溫隔熱的性能，這與墻體材料的改革方向十分契合。最后一個(gè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益上，雖然在施工的過(guò)程中難度增大，但是能夠有效擴(kuò)大使用的面積，而且材料本身質(zhì)量很輕，因此基礎(chǔ)的施工費(fèi)用會(huì)大大減少。考慮到異形柱框輕結(jié)構(gòu)體系的適用范圍，抗震設(shè)防烈度要求在Ⅶ度以上的區(qū)域內(nèi)不能使用這一結(jié)構(gòu)體系。其次，假如需要使用超過(guò)7m的柱網(wǎng)，就要用斜撐的方式輔助提高房屋的穩(wěn)定性。最后在布置異形柱框輕結(jié)構(gòu)體系的環(huán)節(jié)中，需要堅(jiān)持一定的原則。最基本的就是對(duì)稱原則，也就是說(shuō)要布置對(duì)稱型的房屋平面。再提高一個(gè)層次就是要保證房屋主軸的協(xié)調(diào)性，這樣才能有效避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)對(duì)房屋的穩(wěn)定性造成不利的影響。最后一個(gè)原則是在設(shè)置異性柱框架的過(guò)程中，應(yīng)該設(shè)置雙向的異形柱框架。而且要保證縱橫連接、支柱對(duì)齊。這是因?yàn)橹е鶎?duì)齊會(huì)讓房屋有能力抵抗更大的外力作用。

1.3 運(yùn)用三維分析方法，整體分析異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系

在對(duì)異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體分析時(shí)，三維分析方法比較適用，這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)體系有著數(shù)量較多的構(gòu)件截面形式。以肢高肢寬比不大于4.0的異形柱為例，這種異形柱的特點(diǎn)是長(zhǎng)細(xì)比較大，而且在變形之后仍然與平截面的假定基本符合，它的力學(xué)特性也基本與柱相同。目前已經(jīng)面世的軟件有TBSA、TAT、SATWE，這三種軟件可以對(duì)柱模型進(jìn)行三維計(jì)算分析。在使用TBSA這一軟件分析柱模型時(shí)，不能直接輸入異性柱的截面形式。而是要遵循一定的原則，就是柱子雙向剛度相等的原則，并運(yùn)用該原則簡(jiǎn)化異形截面，使其變成矩形截面。此時(shí)不能忽略一個(gè)問(wèn)題，就是在轉(zhuǎn)化以后會(huì)存在面積誤差，與此同時(shí)柱截面形心主軸的角度也會(huì)發(fā)生一定的變化。此時(shí)計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力會(huì)受到一定程度的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在誤差。形成的影響不止于此，柱的定位、梁的長(zhǎng)度都會(huì)不夠準(zhǔn)確。而運(yùn)用TAT、SATWE這兩種軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以直接將異性柱的截面輸入，此時(shí)就不再需要考慮上述問(wèn)題。此時(shí)需要將主形心的主軸坐標(biāo)作為參考點(diǎn)，來(lái)計(jì)算異形柱的剛度，進(jìn)而求得異形柱的主形心慣性矩，與此同時(shí)要疊加與之相連的梁的剛度。

2 短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系

2.1 短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)比較適用于樓層較多的情況，異形柱框輕住宅結(jié)構(gòu)體系在截柱面、抗側(cè)剛度、軸壓比等方面無(wú)法滿足房屋樓層多的要求，此時(shí)就要適當(dāng)加大異性柱的肢長(zhǎng)，保證肢高肢寬比大于4.0。這樣住宅的結(jié)構(gòu)體系就變成了短肢剪力墻。在目前的發(fā)展階段中，對(duì)短肢剪力墻還沒(méi)有比較嚴(yán)格的定義。剪力墻的長(zhǎng)度一般不超過(guò)2m，布置的位置集中在間隔墻的交點(diǎn)處。當(dāng)前剪力墻的形狀有L形、T形，另外還有十形和一形，后兩種比較少見(jiàn)。短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)與異形柱框輕結(jié)構(gòu)體系比較相像，兩種結(jié)構(gòu)體系布置的原則也大致相同。在塔式的高層建筑中，短肢剪力墻比較常用[2]。塔式高層建筑的平面特點(diǎn)比較特殊，它的豎向交通區(qū)由樓梯、電梯和豎向管道構(gòu)成。在這個(gè)豎向交通區(qū)內(nèi)需要設(shè)置數(shù)量較多的短肢剪力墻，這樣才能構(gòu)成一個(gè)比較完整的筒體。這個(gè)筒體幾乎承載著整幢建筑的豎向載荷，還要承載一定的抗側(cè)力。在布置外圍豎向構(gòu)件時(shí)，要以外圍部分的受力需要為依據(jù)，還要考慮到外圍的建筑平面布置情況，之后要設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土短肢剪力墻，此外還要布置連系梁，布置的位置是各短肢剪力墻的墻隙間。連系梁的作用是將短肢剪力墻和核心筒連接成一個(gè)整體。這樣就構(gòu)成了整幢住宅的結(jié)構(gòu)體系。

2.2 運(yùn)用三維分析方法，整體分析短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系

分析短肢剪力墻的構(gòu)建力學(xué)特征，可以發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比為4.0，這一數(shù)值與剪力墻的數(shù)值比較接近。所以在計(jì)算時(shí)要把短肢剪力墻看做是剪力墻，而不能看做是柱。整體分析剪力墻的結(jié)構(gòu)可以使用的軟件仍然是上文提到的TBSA、TAT、SATWE。在分析短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)時(shí)TBSA、TAT會(huì)模擬剪力墻的結(jié)構(gòu)，也可以使用薄壁桿件單元，二者遵循基本相同的計(jì)算原理。SATWE采用的是墻元模擬剪力墻，在殼元上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度，墻元模擬剪力墻就是在此基礎(chǔ)上凝聚而成。墻所在的平面內(nèi)的剛度和墻所在的平面外的剛度在該分析軟件上都有顯示。以某30層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)為例，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。制作了1：20的比例模型，開(kāi)展了模擬地震振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)。計(jì)算的對(duì)象就是試驗(yàn)?zāi)Ｐ退鶎?duì)應(yīng)的原型。研究不同的力學(xué)模型對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不同影響。分別采用墻元和薄壁桿件單元的方式，后者得到的剛度計(jì)算值比較大，而且結(jié)構(gòu)自振周期也比前者短。但是墻元分析方法對(duì)大開(kāi)間結(jié)構(gòu)中樓板抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)考慮得更加充分。

3 總結(jié)

綜上所述，本文思考異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻是剪力墻結(jié)構(gòu)的分支，在結(jié)構(gòu)布置方面比較靈活，可調(diào)整性較強(qiáng)。如今建筑行業(yè)已經(jīng)能夠?yàn)槿藗兲峁└叨仁孢m性的住宅，這其中離不開(kāi)混凝土異形柱、短肢剪力墻的支持，二者使得高層住宅體系更加完善，不僅滿足舒適性，還實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果，也讓建筑住宅有良好的耐久性和安全性特點(diǎn)。