异形柱结构和短肢剪力墙结构设计探讨

关键词：异形柱结构 短肢剪力墙机构 设计 

　　一、异型柱与短肢剪力墙结构的特点 

　　1.短肢剪力墙结构设计特点 

　　具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构称为短肢剪力墙结构。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。 

　　2.异形柱结构设计特点 

　　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。这种结构的特点是：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，其各向承载能力也有较大差异；②对于长柱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，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。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。 

　　二、短肢剪力墙结构设计要点 

　　1.剪力墙结构布置 

　　宜沿主轴方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜联结在一起，应尽量拉通、对直；抗震设计时，宜使两个方向侧向刚度接近；剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙布置不宜太密，使结构具有适宜的侧向刚度；若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大。剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变。剪力墙长度较大时，可通过开设洞口将长墙分成若干均匀的独立墙段。墙段的长度不宜大于8m。剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置。宜避免使用错洞墙和叠合错洞墙。当剪力墙与平面外方向的梁连结时，可加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力；或减小梁端弯矩的措施。高层结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙结构的最大适用高度应适当降低。 

　　2.剪力墙结构平面协同工作分析 

　　在竖向荷载作用下，各片剪力墙承受的压力可近似按各肢剪力墙负荷面积分配；在水平荷载作用下，各片剪力墙承受的水平荷载可按结构平面协同工作分析。即研究水平荷载在剪力墙之间分配问题的一种简化分析方法。实际上，当房屋的体型比较规则，结构布置和质量分布基本对称时，为简化计算，通常不考虑扭转影响。 

　　三、异形柱结构设计要点 

　　1.异形框架计算 

　　组成异形柱结构体系的截面形式较多，故做整体分析时，宜采用三维分析。对于肢高肢宽比不大于4的异形柱，在柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按砼设计规范计算，而对于在柱截面对称轴内受水平力作用较大，或水平力在非主轴方向时，弹性分析计算翘曲应力不容忽视，按平界面假定误差较大，应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。 

　　2.截面选取 

　　框架梁截面高度可按（1/10～1/15）lb确定（lb为计算跨度），且非抗震设计时不宜小于350mm；抗震设计时不宜小于400mm。梁的净跨与截面高度的比值不宜小于4。梁的截面宽度不宜小于截面高度的1/4和200mm。异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。柱两肢的肢高比不宜超过1.6，且肢厚相差不大于50mm，柱截面各肢的肢高肢厚之比控制在不大于4的范围。 

　　3.配筋构造 

　　在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱端部分会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠近肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，外排钢筋由计算而定，且配筋率不应小于全截面面积2%，柱肢中部应设构造钢筋，拉筋间距同箍筋，柱中构造钢筋间距不应大于200 mm，这样做可限制柱肢的混凝土裂缝的开展，提高异形柱局部抗剪强度及变形能力。 

　　4.轴压比控制 

　　对框架结构，框-剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重要的作用，且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。 

　　当高层建筑的高度进一步加大时，其水平力的影响会愈来愈显著，对结构的延性要求也愈高。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（短柱）。控制柱截面轴压比的目的，在于要求柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。 

　　5.节点域抗剪 

　　在较高设防烈度抗震设计的异形柱结构适用的房屋最大高度确定中，框架的节点核心区受剪承载力起主要控制作用。由于截面尺寸较窄，故受剪承载力较低；因而房屋的最大高度相对较低，所以轴压比就不如节点核心区受剪承载力突出了；由恒载和活载引起的单位面积重力的影响，使得结构高度适当降低；异形柱截面形式的影响，L形柱轴压比限值和节点核心区受剪承载力均低于T形和十形，故结构中L形柱较多时，结构高度应适当降低。 

　　6.混凝土强度 

　　因异形柱结构中的截面尺寸较小（肢厚），故节点核心区对于混凝土的施工要求更为严格，《规范》规定混凝土强度等级不应低于C25，不应高于C40. 

　　7.异形柱结构的施工重点 

　　异形柱柱肢是由两个相互正交的柱肢组成，柱肢厚度小（一般为200～250mm），而肢较长（一般为500～800mm），钢筋较为密集，且混凝土浇筑困难，保证钢筋安装位置，特别是梁柱纵向受力钢筋安装位置准确，满足验收《规范》合理偏差要求，以保证结构混凝土的强度等级符合要求。 

　　四、结语 

　　“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”形式在现代建筑行业中已成为了很关键的一种形式，随着用户们对建筑内部结构要求的提高， 这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定，未来建筑结构领域中两种结构形式应用的层面也将越来越深。 

　　参考文献： 

　　[1]陈野平.短肢剪力墙结构抗震性能分析及工程实例[D].合肥工业大学，2011.DOI：10.7666/d.y1886172. 

　　[2]李薇薇，张继春.短肢剪力墙结构设计及其质量控制[J].中小企业管理与科技，2009，（31）：139-140.DOI：10.3969/j.issn.1673-1069.2009.31.124.