异形柱与短肢剪力墙设计的几个问题

吴广辉

[摘要]异形柱和短肢剪力墙以其更能满足当代建筑设计需求的特点，越来越多的被使用，本文简单分析了异形柱与短肢剪力墙设计中的几个问题，希望能给相关人士带去灵感。

[关键词]异形柱；短肢剪力墙；SATWE

人们对于生活水平的要求越来越高，所以对于住宅的审美要求也在不断加强，所以为了减少住宅建筑柱楞出现次数过多，异形柱与短肢剪力墙近几年被广泛应用在住宅建筑中。异形柱通常以工字型、十字型等五种形式出现在建筑中，比如L型的异形柱多为角柱，T型的异形柱多设计为边柱。异形柱在不同高度的建筑中应用体系也不相同，如框架斜撑结构一般应用于中高层。

由于异形柱和短肢剪力墙结构大多不规则，所以对于其进行计算时常应用可以进行三维分析的软件，多以TAT，SATWE为主，两种计算方式原理不同，但各有优缺点，应用电子计算机进行异形柱和短肢剪力墙的计算，大大少了计算的不确定性和准确性，也可以准确的应用软件，有效确保建筑的稳定可靠。

1异形柱设计注意事项

1.1异形柱受力特点

异形柱的长和厚度比例一般小于4，在异形柱受力时，其边缘不平行，弯矩不垂直，就会影响中轴的形式，钢筋混凝土的配比也会受到影响。不同形状的异形柱的压力承受度也各不相同，异形柱由于在柱内会随着受力产生剪应力，因此也就造成其延性较差。

1.2异形柱的动力计算

异形柱的计算不常使用三维模型，多数时候应用等效剪切模型。此模型主要利用质量阵、阻尼阵、刚度阵，在加上各层楼板相对地面的水平加速度、速度向量、位移向量以及在水平地面运动时的加速度，这七个数据进行异形柱的动力计算。经过测试发现在异形柱受力后的弹性阶段计算较为简单，但是其前提是要得到异形柱的恢复力模型，但是由于计算恢复力曲线较为耗费时间，所以在进行异形柱动力计算式多数情况下以直线取代恢复曲线。

1.3异形柱设计中的计算机分析部分

三维形式的异形柱结构构建形式太多，所以在计算内力和变形时通常使用计算机进行计算，以减轻人工负担，也节省时间。在建立计算机模型时要注意模型的简化和合理，也要做到符合建筑条件以及实际情况，并且最好制作两个不同的计算机模型进行计算，来确保计算的准确性。在异形柱的计算中最常使用的软件是TAT以及SATWE，其中TAT是应用空间杆+薄壁柱的计算模式，是典型的振型计算；SATWE是应用空间杆+墙园的计算模式，是时程计算方式。

SATWE计算时是扣除梁的刚域后对梁进行的计算，通过梁两端的长度来考虑异形柱的动力计算模型。此软件的输入方式相对TAT较为简单，符合梁的就按照梁的条件输入，符合异形柱的就按照异形柱条件输入，符合剪力墙的就按照剪力墙的条件输入，全部的构件都输入好以后，就可以进行分析了。

1.4异形柱的正截面承载力计算

异形柱的界面是很独特的存在，在受力时，一般对于其承载力都是应用计算机进行计算。对于截面承载力的几段一般是通过数值积分来进行，对于正截面的承载力计算时要保证正截面保持稳定，应用应力一应变曲线来实现理想弹性模型，之后运用数值积分进行分析计算。

1.5异形柱的延性

由于地震作用具有较强的不确定性，要求结构在强烈地震作用下保持在弹性状态是不经济的。既安全又经济的抗震设计允许结构在强烈地震作用下破坏严重，但不应倒塌，抗震设计的特点是依靠弹塑性变形消耗地震能量。延性是指结构或构件在强度没有实质性降低的情况下，通过大幅度塑性变形来耗散地震能量的能力。在强烈地震的作用下，结构进入弹塑性阶段，因此，应重视异型柱结构在弹塑性阶段的变形能力。

1.6异形柱设计的一些问题思考

异型柱的截面尺寸应通过轴压比，自振周期两个参数来控制。一般需进行多次试算方可确定。应使以下几个比值在合理范围内：（1）轴压比可控制结构的延性。（2）剪重比可控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。（3）刚度比可控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。（4）周期比可控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。（5）刚重比可用来减小重力二阶效应，保证结构的整体稳定性。

2短肢剪力墙设计注意事项

短肢剪力墙的高与厚比例一般在5～8之间，其形状和异形柱相似的，如T型，但也有不同，如+型。对于软件来说，在设定短肢剪力墙高度以及厚度时候要注意符合其范围。

2.1短肢剪力墙受力特点

短肢剪力墙由于其高且细的构造，延性比异形柱好，出现问题时通常是连梁先出现破坏，然后引起墙肢出现问题。短肢剪力墙的翼缘以及腹板在受力时会受到较大压力，所以对于翼缘的建造尤为重要。

2.2短肢剪力墙的布置

在布置短肢剪力墙时要注意使结构的力量传输路线明确，避免受力点集中于某一部分，要结合专业的建筑设计方案，让短肢剪力墙既经济又能满足建筑需求。短肢剪力墙在布置时要避免剪力墙的受力集中在一个点，要尽可能符合对称原则，以此减小其扭转周期。

2.3短肢剪力墙的动力计算

短肢剪力墙在进行动力计算时多用串联质点模型来计算。此模型认为一个质点拥有一个自由度，所以这个体系的动力特性就是n个振型有n个自振周期。

2.4短肢剪力墙的设计原则

短肢剪力墙在设计方面与一般的剪力墙相同，因此要计算好短肢剪力墙的正面承载力，短肢剪力墙的剪力值设计，也要保证符合规范，避免短肢剪力墙使用寿命过短。

2.5短肢剪力墙设计中的软件计算

在不考虑剪切变形对于短肢剪力墙的影响前提下，以薄壁理论为基础来计算，但由于在实际计算时会发现实际与假设不符，所以短肢剪力墙多数通过SATWE软件来进行计算。在计算时，要考虑到短肢剪力墙各层之间的刚度以及各层间自由度，然后以刚度矩阵模型进行分析，以此计算出位移以及各个构件的内力。

2.6短肢剪力墙的设计原则

（1）由于短肢剪力墙结构体系的特殊性，结构专业应较早参与建筑方案的确定，完毕后即可进行结构布置。（2）确定短肢剪力墙体系构件尺寸和材料。（3）荷载计算，包括楼面恒载、活载、填充墙荷载计算、风荷载和地震作用计算。（4）结构的内力计算和侧移验算。（5）内力组合。（6）截面设计，包括梁、柱、墙设计，楼板设计，楼梯设计。（7）计算合理性分析，计算机分析和人工判断同时兼顾。

3结语

综上所述，现阶段我国关于异形柱和短肢剪力墙的应用越来越广泛，但是异形柱和短肢剪力墙的设计中，在计算部分却相对薄弱，准确度和速度性都不算很好。在异形柱和短肢剪力墙的设计中，设计者既要保证对于二者的特性完全了解，也要保证可以准确使用设计所用软件流程，如此才能设计出最适合的建筑结构。