住宅楼设计中的异性柱框架结构计算研究

李佳泽 石昌文

摘 要：本文从笔者工作经验出发，深度探讨了层建筑结构中异形柱和短肢剪力墙得受力情况，文章首先介绍了异形柱结构的特点，而后研究了异形柱结构受力的计算方法，最后详细阐述了短肢剪力墙结构的特点和需要引起重视的方向。

关键词：异形柱 短肢剪力墙 受力情况

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0115-02

以往宅楼设计多采有砌体结构或框架结构两种体系，近年来，从多层框架结构和剪力墙结构衍生发展异形柱框架结构和短肢剪力墙结构。因其能较好地满足建筑使用上和结构上的要求，很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺陷，而得到了推广和应用。下面对这两种新的高层住宅结构形式的受力特点、结构分析及构造要求进行阐述。

1 异形柱结构

异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2～4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。这种结构的特点如下。

（1）由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载力也有较大差异。

（2）对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱（H/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。

（3）异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显。

（4）特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

2 异形柱框架结构的计算

在国家现行规范中没有给出异形柱框架结构的设计计算方法，工程实践，提出异形框架结构应满足的一些结构构造要求。利用现有的计算机软件，用普通框架结构分析出矩形柱的内力和实际配筋，然后利用以下的叙述方法，用异形柱替代矩形柱，就可以快速而精确的分析出异形柱框架结构的内力。

2.1 等刚度原理

框架结构梁、柱内力的分配只和刚度相关（i=EI/L），刚度大的柱将分配到较大的水平力，因此，在计算时通过刚度相等原理，把T形、L形、十字形柱换算成矩形柱，进人相关的PK软件程序，根据内力可算出正确的配筋。

2.2 柱轴压比的控制

根据规范（GBJ10-89）规定，抗震设计时，框架柱在竖向荷载与地震作用组合下的轴压比宜满足轴压比限制（N/fcmbh）。柱轴压比反映柱构件的变形能力，是影响柱破坏形态的重要因素。因此须严格控制柱轴压比，同时避免柱净高与柱肢长之比小于4的短柱。异形柱框架结构和普通框架结构不仅柱截面进行刚度代换，而且还需柱截面面积相等原则进行计算，即同时满足下面三式：

A>AR （1）

Ix>IRx （2）

Iy>IRY （3）

式中A，AR为异形柱及等效矩形柱截面积；

IX，IY，IRX，IRY为异形柱及等效矩形柱截面X，Y向主形心惯心矩。

2.3 异形柱肢支的取用

竖向荷载是通过梁传递给柱的，由于异形柱的柱肢较长，支撑反力作用点距柱形心较远，故异形柱在竖向荷载作用下，一般处于双向偏心受压状态。异形柱肢长过长，对结构受力性能不利。异形柱可能因柱肢端受力过于集中而发生失稳破坏，或者异形柱局部承压面积过小，而丧失承载能力。实际设计中异形柱肢长究竟在什么范围内才可取面积等效的矩形计算？根据国内外有关资料，肢厚比应不大于4，小墙肢的截面高度不宜小于3bw（JGJ3-2010），同时满足柱净高与截面长边尺寸或等于4。

2.4 其它结构构造措施

框架结构体系应布局合理，刚度均匀，柱布置宜规整对齐，传递内力明确，并应满足抗震设计中轴压比限制，实现强柱弱梁、强剪弱弯、提高框架柱的延性。异形柱箍筋加密区及柱肢内纵筋间距应满足普通框架结构矩形柱的有关规范。

3 短肢剪力墙结构

短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5～8倍剪力墙结构，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。这种结构型式的特点如图1所示。

（1）结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾。

（2）墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置。

（3）能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单。

（4）连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽。

（5）根据建筑平面的抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较易满足刚度和强度要求。

对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析相同，可采用三维杆—系簿壁柱空间分析方法或空间杆—墙组元分析方法。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。虽然三维杆系—簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该用空间杆—墙组元程序进行校核。

在进行以上分析后，按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计，相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。

（1）由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防。

（2）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施；

（3）高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，上一些模型试验反映出外周边肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢。

（4）各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心。

（5）高层结构中的边梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使期设计内力降低，应按普通框架梁要求，控制砼压区高度，其梁端负弯矩筋可由塑性调幅70%～80%来解决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。

总之，在结构设计中根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋，其结构才能有可靠的安全保证。

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