探討建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、探討建筑短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要：在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，逐步發(fā)展形成了能適應(yīng)人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式，即“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”和“異形柱框架結(jié)構(gòu)”型式。 關(guān)鍵詞：短肢剪力墻，異形柱，設(shè)計 隨著人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，原來普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴格限定與分隔已不能滿足人們對住宅空間的要求。于是在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，逐步發(fā)展形成了能適應(yīng)人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式，即“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”和“異形柱框架結(jié)構(gòu)”型式。這兩種新的結(jié)構(gòu)由于在很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點，受到

2、了建筑師的肯定，更得到了住戶與開發(fā)商的歡迎.。 1短肢剪力墻結(jié)構(gòu)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長度為厚度的5-8倍剪力墻結(jié)構(gòu)，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型。這種結(jié)構(gòu)型式的特點是： 結(jié)合建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾； 墻的數(shù)量可多可少，肢長可長可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置； 能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單； 連接各墻的梁，隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)，可隱蔽； 根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，較易滿足剛度和強度要求。 對短

3、肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，因其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同，可采用三維桿-系簿壁柱空間分析方法或空間桿-墻組元分析方法，其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況，精度較高。雖然三維桿系-簿壁柱空間分析程序使用較早、應(yīng)用較廣，但對墻肢較長的短肢剪力墻，應(yīng)該用空間桿-墻組元程序進行校核。 在進行以上分析后，按高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范進行截面與構(gòu)造設(shè)計，相對于異形柱結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的理論與實踐較為成熟，但這種結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍然有需要引起重視的方面。 （1）由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對較小，設(shè)計時宜布置適當數(shù)量的長墻，或利用電梯，樓梯間形成

4、剛度較大的內(nèi)筒，以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，同時也形成兩道抗震設(shè)防； （2）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應(yīng)加強其抗震構(gòu)造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率； （3）高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主，底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力，由一些模型試驗反映出外周邊墻肢開裂，因而對外周邊墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量，加強小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應(yīng)在兩個方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢； （4）各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時用長

5、肢墻來調(diào)整剛度中心； （5）高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)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，不應(yīng)在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁要求，控制砼壓區(qū)高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70%-80%來解決，按強剪弱彎，強柱弱梁的延性要求進行計算。 （6）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱，在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業(yè)用房需較大空間，就得通過轉(zhuǎn)換層來實現(xiàn)。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。據(jù)研究表明“框支剪力墻結(jié)構(gòu)

6、當轉(zhuǎn)換層位置較高時，轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變，內(nèi)力的傳遞僅靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實現(xiàn)；轉(zhuǎn)換層下部的框支結(jié)構(gòu)易于開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗震。高烈度區(qū)（度及度以上）不應(yīng)采用；度區(qū)可以采用，但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度，可考慮不宜超過層；度區(qū)可適當放寬限制?！币虼耍ㄗh在度抗震設(shè)防區(qū)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜超過層，避免高位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層上下的層剛度比較接近，不宜超過。 2異形柱結(jié)構(gòu)異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、

7、“十”字型。這種結(jié)構(gòu)的特點是： 由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異； 對于長柱（H/h4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h4），剪切變形占有相當比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或cu/（cu為砼的極限壓應(yīng)變，為截面受壓區(qū)高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差； 異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當大的翹曲應(yīng)

8、力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯； 特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜設(shè)計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。 目前，異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計還沒有統(tǒng)一的國家規(guī)范，在進行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除滿足高規(guī)中對結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個方

9、面的問題： （1）異形框架的計算由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應(yīng)力很小，此時如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按砼設(shè)計規(guī)范計算，特別是在框剪，框筒結(jié)構(gòu)中，對6度及其以下烈度區(qū)的、類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進行內(nèi)力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件?，F(xiàn)在有一些軟件沒有異形柱截面

10、形式，如要用它進行計算，要先進行等剛度等面積換算成矩形柱，進行整體分析，得到雙向內(nèi)力后再進行異形柱的截面設(shè)計，其工作量相當大，且截面設(shè)計的可靠性不高。 （2）異形柱的受力性能及其軸壓比控制異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態(tài)下，各肢產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。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（短柱）?？刂浦孛孑S壓比的目的，在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求。短柱在壓剪

11、作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞，設(shè)計中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱。對框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關(guān)鍵指標。由試驗結(jié)構(gòu)分析，柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。其軸壓比按砼設(shè)計規(guī)范中的要求減少0.05，但其適用高度較低，一般為35m.當高層建筑的高度進一步加大時，其水平力的影響會愈來愈顯著，對結(jié)構(gòu)的延性要求也愈高。 （3）配筋構(gòu)造在正確的結(jié)構(gòu)選型及計算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現(xiàn)較大應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時，應(yīng)在肢端設(shè)暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。離端部厚度范圍內(nèi)設(shè)214的構(gòu)造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼