异形柱与短肢剪力墙结构设计

么洪勇

摘要：本文主要就异形柱与短肢剪力墙结构设计中的一些问题进行了分析探讨，异形柱与短肢剪力墙结构较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。本文提出了一些自己的看法，供结构设计人员参考。

关键词：异形柱;短肢剪力墙;结构设计;抗震性能

前  言

"短肢剪力墙结构"和"异形柱框架结构"型式之所以发展，是因为人们对住宅平面与空间的要求越来越高.这两种结构型式很大程度上改进了普通框架与普通剪力墙结构在建筑平面划分上的缺点，在建筑物设计时，使建筑师能更灵活地设计出容易使广大住户所接受住宅户型.虽然这两种结构型式的出现对建筑专业来说是一大进步，但对于结构专业来说，短肢剪力墙结构和异形柱框架结构都属于抗震比较不利的结构，如何去合理设计，保证结构的安全，是结构工程师所需要解决的问题。

一、异形柱结构设计问题分析

1.异形柱结构形式及其计算

异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架一剪力墙结构和异形柱框架一核心筒结构。根据试验表明：异形柱框架结构的破坏特征与矩形柱框架结构类似，底层柱的上下端为柱的危险截面，破坏时异形柱及梁柱节点均无明显裂缝，异形柱长细比较大，滞回曲线比较丰满，具有较好的变形能力和层间变形能力。由于异形柱截面不对称，在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。因此，对异形柱结构按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。当采用不具有异形柱单元的空间分析程序计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。

2.异形柱的受力性能其轴压比控制

试验研究表明：异形柱截面的延性主要与轴压比，箍筋的直径与间距，高长比 （ 即柱净高与截面肢长之比 ） 等因素有关。增大纵筋直径或增大箍筋直径，减小箍筋间距都能提高异形截面双向压弯柱的截面曲率延性，箍筋间距的影响远大于箍筋直径的影响，加密箍筋可以显著地提高截面延性。轴压比大小是决定异形截面双向压弯柱破坏特征的重要指标。随着轴压比增大，截面的曲率延性下降，截面由延性较好的受拉破坏发展为界限破坏受压破坏。这时是延性最差的情况，在设计中应予以足够的重视。异形柱的延性比普通矩形柱的差。异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异性柱的变形能力比普通矩柱降低。作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，同时避免高长比小于 4。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件，短肢截面的肢厚比（即肢长/肢宽）不大于4。《高规》（JGJ3-91） 第 5.3.4 条，“抗震设计时，小墙肢的截面高度不宜小于 3bw”，“一、二级剪力墙的小墙肢，其轴压比不宜大于 0.6”。

二、剪力墙结构设计问题分析

1.短肢剪力墙布置及其计算

由于短肢剪力墙的抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙 （ 相对短肢而言 ） 或利用电梯间形成刚度较大的内筒，以避免地震作用下结构产生过大的变形。短肢剪力墙结构计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在 TAT、TBSA 中，只需按剪力墙输入即可，而且 TAT、TBSA 更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA 所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有 6 个自由度，墙视为薄壁杆件，每瑞有7个自由度（多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数），考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置，未知量少，精度较高。但是，薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂时，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理论没有考虑剪切变形的影响，当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于墙肢较短，本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用 TAT、TBSA 计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力，精度较高。对设有转换层的短肢剪力墙结构，框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力结构宜优先采用墙元模型软件进行计算。

2.短肢剪力墙结构设计的抗震问题

建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂;在地震作用下，高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，底部外围的小墙肢，截面面积小且承受较大的竖向荷截，破坏严重，尤其“一”字形小墙肢破坏最严重;在短肢剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减少，使连梁受剪破坏的可能性增加，因此设计中，对这些薄弱环节，更应加强概念设计和抗震构造措施。例如：短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应;适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度，加强墙肢端部的暗柱配筋，严格控制墙肢截面的轴压比不超过 0.6，以提高墙肢的承载力和延性。高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各肢的平面内，避免采用“一”字形墙肢;短肢剪力墙底部加强部位的配筋应符合规范要求。

三、结束语

现代住宅建筑要求大开间，平面及房间布置灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等。异形柱与短肢剪力墙结构较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。目前，现行国家规范或规程中有关异形柱与短肢剪力墙结构设计的条款不太明确，因此，结构设计人员在设计中常会遇到一些规范或规程尚未论及的问题，需要设计人员积累经验，利用正确的概念进行设计。本文以上提出了一些自己的观点，以供此类工程设计人员参考借鉴。

参考文献：

[1]张晋.异形柱框轻和短肢剪力墙住宅结构体系[J].建筑结构，2001，（7）.

[2]赵艳静.钢筋混凝土异形截面双向压弯柱延性性能的理论研究[J].建筑结构，1999，（1）.

[3]李九宏.异形截面钢筋混凝土偏心受压构件正截面受压承载力计算[J].建筑结构，1994，（10）.

[4]建筑抗震设计规范（GB50011-2001）[S].