高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计

卢艳秋LU Yan-qiu；卢铁钢LU Tie-gang

（①沈阳市规划设计研究院，沈阳 110004；②沈阳市城市安居置业有限公司，沈阳 110033）

（①Shenyang Urban Planning Design &Research Institute，Shenyang 110004，China；②Shenyang City Housing Real Estate Co.，Ltd.，Shenyang 110033，China）

0 引言

随着经济的发展，生活水平的提高，在住宅环境、格局、空间，以及高层住宅平面与户型等方面人们提出了更高的要求。在住宅空间需求逐步提高的现代社会，以露梁露柱、普通剪力墙结构为主的传统框架结构在如今的工程实践中已不多见。为了进一步适应人们新的住宅观念，满足人们对高层住宅结构型式的需要，设计师基于传统剪力墙的优点，设计出更符合现代住宅要求的“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。这两种结构凭借自身的优势，弥补了普通框架与普通剪力墙结构的不足，进而受到建筑师的认可和关注。为了进一步推广这种构造形式，笔者将对这两种结构型式进行细致的分析。

1 短肢剪力墙结构

工程中常见的“T”型、“L”型、“十”字型、“Z”型、折线型、“一”字型等类型的短肢剪力墙，其截面厚度一般不到300mm，各肢截面高度与厚度之比的最大值在4～8 之间。

对于这种结构型式来说，其特点主要表现为：

①利用间隔墙位置，对竖向构件进行布置，不会对建筑的使用功能构成影响；②墙的数量具有一定的随机性，同时肢长没有限制，主要根据抗侧力的实际需要来决定；③布置灵活，多种方案可供选择，并且楼盖方案比较简单；④对于连接各墙的梁，可以在间隔墙竖平面内设置墙肢位置，并且可以隐蔽；⑤根据建筑平面实际的抗侧刚度，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，进而在一定程度上满足刚度、强度的需要。

在理论与实践方面，短肢剪力墙结构较异形柱结构来说要较为成熟，但是，在设计这种结构的过程中，以下方面需要给予高度的关注。

①与普通剪力墙结构相比，由于短肢剪力墙结构的抗侧刚度比较小，因此在设计过程中，需要适当增加长墙的数量，或者利用电梯，以及楼梯间形成较大刚度的内筒，进而在一定程度上避免设防烈度下结构产生大的变形；②对于短肢剪力墙结构来说，建筑平面外边缘的角部处的墙肢是抗震的薄弱部位，当出现扭转效应时，已有的翘曲变形会变得更加严重，进而在一定程度上造成墙肢首先发生开裂。因此，需要对抗震构造采取相应的措施；③在水平力作用下，对于高层短肢剪力墙结构来说，主要是整体弯曲变形，并且较大的竖向荷载和扭转剪力由底部外围小墙肢来承受，在这种情况下，需要进一步加强小墙肢的抗震性能；④均匀分布各墙肢，进一步使其刚度中心尽量接近建筑物的中心，在必要的情况下，可以通过长肢墙对刚度中心进行调整；⑤连梁作为高层住宅结构中的耗能构件，在短肢剪力墙结构中其墙肢刚度较小。连接各墙肢间的梁虽然和普通框架梁无明显区别，但是不同于剪力墙间的连梁。在整体结构中，连梁应该保持一定的刚度，否则无法保证其设计内力达到预期要求。通常情况下，需要按照普通框架梁的实际情况，对砼压区高度进行控制。

2 异形柱结构

异形柱结构是指截面各肢的肢高与肢厚比不大于4的钢筋混凝土柱，与正方形、矩形柱柱子相比，存在一定的差异。通常情况下，它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙。目前业界通用的结构形式除“十”字型以外，还有“L”型和“T”型。

这种结构的特点是：

①截面结构特殊，墙肢平面内外两个方向刚度严重不一致，致使各向承载能力因刚度的差异而存在差异性；②长柱（H/h>4）的剪切变形忽略不计。控制轴压较小时，受力情况良好，变形效果可控。短柱（H/h<4）则要充分考虑剪切变形的影响。异形柱通常为薄壁型短柱异形柱，柱体遭到延性破坏后，截面曲率M/EI 或εcu/χ（εcu 为砼的极限压应变，χ 为截面受压区高度）较小，因而弯曲变形可控；③多肢异形柱的平面范围内有剪切中心。在受力情况下，必须通过各柱肢交点部位核心砼对内力及变形进行有效协调，在这种情况下，各柱肢内往往会产生较大的翘曲应力及剪应力。而柱肢早期裂缝基本是剪应力所致。另外，剪应力也使各肢核心砼处于三向剪力状态，降低了普通截面柱变形能力，并伴有严重的脆性破坏；

设计异形柱结构时，首先考虑高规的相关要求，其次要关注以下几个关键节点：

2.1 异形框架的计算 异形框架截面相对特殊，由于柱截面对称轴内存在水平力，使得弹性分析计算其翘曲应力很小，使得构件成为承受水平力的偏压构件。允许基于平截面标准作假定分析，并依照参考砼设计规范进行计算，尤其是在“框-剪、框-筒”结构中，在烈度区为6 度或6度以下的Ⅰ、Ⅱ类场地的框架柱，可以承担的水平风载非常少，只需参考一般的偏压柱计算方法便可得到相对精准的分析结果。这时，异形柱代换成刚度和面积相同的矩形柱后可作整体分析。当非主轴方向上存在较大的水平力时，一定要考虑翘曲应力，若以平截面的标准作假定分析，可能出现大的误差。正确的方法是分析异形柱框架构造的有限元，用以调整内力、配筋的位置和大小。运用专业计算软件（比如，建研院的TAT、SATWE 程序）计算内力及配筋。运用TAT、SATWE 程序计算正截面配筋，一是可确保数据分析结果准确可靠，二是能提高结构的安全系数，确保设计质量达标。

2.2 轴压比控制 从框架结构与框-剪结构形式来看，柱的延性往往能有效疏散地震能量，提高框架的稳固性。在结构设计中，砼柱延性的优劣还取决于轴压比的合理性。经试验验证得知，轴压比越大，柱的侧移延性比越小。

在高轴压比条件下要提高柱的延性，仅仅通过增加箍筋数量难以奏效。由此可见轴压比的变化对柱的延性影响程度之深。尤其是异形柱结构剪力中心和截面形心相互错位，砼柱肢在剪应力的作用下往往比普通矩形压剪构件更早开裂，使得构件承受腹剪破坏。另外，短柱异形柱受到的脆性破坏更为严重，使得异形柱延性低于矩形柱。因此，为确保构件质量达标，必须合理控制异形柱的轴压比。

2.3 配筋构造 按设计要求进行选型计算后，要确保异形柱受力效果良好，还应关注截面内钢筋的构造。鉴于异形柱截面固有的特点，通常会在柱肢端部产生大的应力，加之柱肢所受梁的应力作用不均衡，应力作用最明显的肢端往往使柱肢存在偏心压力，从而使肢端所承受的压应力更加明显。鉴于此，在异形柱配筋阶段，须将暗柱设于肢端。将2Ф14 的构造纵筋布置在离端部厚度范围内，使箍筋同柱，对柱肢砼开裂能够起到限制作用，异形柱局部抗压抗剪性能得以改善，同时可防止构件发生严重的形变。

3 结语

当前，短肢剪力墙结构与异形柱框架结构已被广泛应用在建筑施工领域。在设计中，基于结构受力特性掌握其破坏机理，优化调整结构形式，确保计算机分析及截面配筋计算正确无误，才可提高结构设计的经济性和安全性。

[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社，2010.

[2]邱棉伟.建筑短肢剪力墙与异形柱结构的分析计算[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2008（08）.

[3]何洋.高层住宅建筑中短肢剪力墙结构的延性设计[A].2014年全国科技工作会议论文集[C].2014.