短肢剪力墙与框架、异形柱结构设计的对比分析

武艳涛

（西安建筑科技大学 建筑设计研究院，陕西 西安710055）

1 短肢剪力墙、框架、异形柱三种结构的异同

1.1 短肢剪力墙结构特点

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）中第7.1.8条规定:“短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度比的最大值大于4但不大于8的剪力墙”。常用的有T型、L型、十字型、Z型和一字型等，此种结构形式的特点是:

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）根据抗侧力的需要，墙的数量可多可少，肢长可长可短，可通过不同尺寸及布置来调整刚度的中心位置，布置灵活，较易满足刚度和强度要求；

3）连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，形式上较为隐蔽。

1.2 框架结构特点

框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成，构成承重体系的结构。结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。

框架结构的优点是空间分割灵活，可以较好地配合建筑平面布置，平面开间较大，梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，施工周期短。但框架结构的节点应力集中显著，抗侧力性能较差，在强烈地震作用下，结构水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏，不适宜建造高层建筑。

1.3 异形柱结构特点

《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149－2006）中规定:“异形柱结构是指截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm”。它包括异形柱框架结构和框架剪力墙结构，常用的有L型、T型和十字型。此种结构的特点为

1）一般异形柱有1～2根对称轴或没有对称轴，T型、L型柱在不同的方向上刚度不同，侧向力也就不同，因此，在不同的方向上，各柱分配到的地震作用大小也不同；

2）异形柱处在双向压弯的受力状态下，一般中和轴位置和弯矩作用平面不垂直，和截面边缘也不平行，影响中和轴位置的因素有荷载的形式和大小、柱截面尺寸、混凝土强度等；

3）异形柱的剪切中心与截面中心通常不重合，受力时在柱肢内产生翘曲应力和剪应力，剪应力的存在使异形柱柱肢混凝土先出现裂缝，导致脆性破坏，因此异形柱的延性较矩形柱差；

4）异形柱的破坏形态有弯曲破坏、小偏心破坏、剪压破坏。

因此，在工程设计时异形柱应双向布置，结构的平面形状应简单、对称、规则，质量、刚度分布均匀，尽量使房屋的质量中心和刚度中心重合，以减小地震作用下的扭转效应；异形柱结构体系沿竖向的质量分布和刚度变化均匀，避免过大的外挑、内收，造成结构质量、刚度突变，产生薄弱层；严格按照规范要求控制轴压比，防止异形柱出现小偏压破坏，提高其变形能力。此外，异形柱宜选用等肢型结构，以保证异形柱结构具有较好的整体受力性能，当采用不等肢长异形柱时，肢长肢厚不应相差较大。

随着人们对建筑平面与空间的使用要求越来越高，隐梁隐柱的设计也越来越受到住户的欢迎。而短肢剪力墙结构既具备了框架结构所不具备的隐梁隐柱的优点，又克服了异形柱结构抗震性能差的缺点。因此，越来越受到住户的喜爱，并广泛地应用于多层及小高层建筑中。

2 工程应用

某大学生公寓，地处西安市户县，平面为矩形，长43.2m，宽16.3m，首层高度为4.05m，标准层高为3.6m，共7层，总高度为26.87m，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7°。针对该工程进行三种结构方案比较，分别建立短肢剪力墙、框架和异形柱结构形式:方案A为短肢剪力墙结构方案；B为框架结构方案；C为异形柱结构方案，三种方案均采用C35混凝土。短肢剪力墙结构标准层平面布置如图1所示，框架结构标准层平面布置如图2所示。

2.1 计算结果分析

用SATWE软件对这三种方案进行计算分析，短肢剪力墙间的梁作为连梁或框架梁计算，经过试算方案C的技术指标及配筋均不能满足规范要求，此工程首先排除C方案。此处仅给出方案A、B的经济计算对比结果，两种结构方案在X向、Y向的最大节点位移、最大层间位移角及最小剪重比如表1所示，计算结果技术指标均满足规范要求。短肢剪力墙结构在地震荷载和风荷载作用下的位移如图3所示，内力图如图4所示，框架结构在地震荷载和风荷载作用下的位移如图5所示，内力图如图6所示。

图1 短肢剪力墙结构标准层平面布置

图2 框架结构标准层平面布置

表1 两种方案计算结果

图3 短肢剪力墙结构在地震和风荷载作用下的位移

从表1及图3、图5可以看出，结构在相同布置下，方案A的最大位移均小于方案B；由图4和图6可知，两种结构体系的受力形式相似，相互印证了彼此的合理性、适用性。从表1还可以看出，在结构的抗扭转性能上，方案A也优于方案B，即短肢剪力墙结构的抗侧向刚度优于框架结构。从技术指标可以看出，短肢剪力墙结构优于框架结构。

2.2 经济效益比较分析

一般都会认为剪力墙结构造价要比框架贵，为此预算师对这两种结构在满足规范规定的各项技术指标及工程应用安全的前提下进行了经济效益分析。计算时两种结构的层高、填充墙、楼面荷载（包括板厚）等各种情况均相同。短肢剪力墙与框架结构混凝土用量数据如表2所示，钢筋用量数据如表3所示，两种结构体系在次梁及楼板上的配筋和混凝土用量相差无几，可以忽略，因此仅对一个标准层的框架梁和竖向构件进行对比分析。

图4 短肢剪力墙结构在地震和风荷载作用下的内力

图5 框架结构在地震和风荷载作用下的位移

从比较可以看出，在材料消耗方面短肢剪力墙结构比框架结构要经济很多，受到了住户的肯定，满足了住户隐梁隐柱的要求，提高了建筑有效使用面积及工程经济效益，本工程最终采用短肢剪力墙结构并使用。

图6 框架结构在地震和风荷载作用下的内力

表2 短肢剪力墙结构与框架结构一个标准层的梁、柱混凝土用量

表3 短肢剪力墙结构与框架结构一个标准层的梁、柱钢筋用量

3 结束语

短肢剪力墙的结构设计应在满足规范规定的各种指标前提下，合理布置剪力墙的数量和位置，并力求简单、对称、规则，同时采取合理的构造措施以保证结构的受力性能。

结构工程师进行结构设计时，在满足规范规定的首要前提下进行多方案的技术、经济对比，找出更为经济、实用，且能较好地满足建筑使用功能要求的结构形式。

［1］ 建设部.JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010:79.

［2］ 建设部.JGJ149－2006混凝土异形柱结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006:26－36.

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