异形柱与短肢剪力墙结构设计与施工技术处理

【摘要】异形柱与短肢剪力墙结构能够较好地满足现代住宅建筑的要求，现行的国家规范及行业规程中有关异形柱与短肢剪力墙结构设计及施工要求的限制并不明确，为此结合工程应用实际，对异形柱与短肢剪力墙结构设计应用中的一些问题及计算方法等进行分析探讨。

【关键词】异形柱与短肢剪力墙；异形柱受力；异形柱设计与计算；短肢剪力墙设计

Shaped columns with short shear wall structural design and construction of technical processing

Lu Jian-yu,Tian Shao-feng,Zhang Xiao-bo

(Survey and Design Institute of PetroleumKaramayXinjiang834000)

【Abstract】Shaped columns with short shear wall structures better able to meet the requirements of modern residential buildings, the existing national standards and industry regulations in the column-shaped structure with short shear wall design and construction requirements of the restrictions is not clear, this combined with practical engineering applications, the special-shaped columns with short shear wall structural design applications, some of the problems and methods for analysis of the calculation.

【Key words】Shaped columns with short shear wall;Shaped column of the force;Shaped pillar design and calculation;Short shear wall design

现代建筑工程尤其是住宅工程要求大开间已成趋势，平面及房间布置需要灵活多变、方便简捷，室内墙体表面不出现柱楞、不露梁等。异形柱与短肢剪力墙结构能够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。异形柱布置是在房屋分割墙体相交处，代替一般框架柱作为竖向支承构建，肢厚度与填充墙厚度相同，室内不会出现柱角。短肢剪力墙体系仍属于剪力墙结构，只不过是墙肢较短。采用这种体系，利用间隔墙位置来布置短肢墙，利用中部的电梯间、楼梯间形成一般剪力墙或筒体，短肢剪力墙平面内布置连梁，形成了两道抗震没防构造。目前，现行的国家规范或行业规程中有关异形柱与短肢剪力墙结构设计及施工要求的限制条款并不明确，因此，结构设计人员及现场施工时会常遇到一些规范或规程尚未论及确定的具体问题，需要在设计施工中积累总结成功经验，利用正确的概念进行设计施工。在对异形柱与短肢剪力墙结构设计应用中的一些问题，如计算方法等进行分析探讨，提供给结构设计及施工技术人员共同探讨。

1. 异形柱结构设计重视问题

1.1对异形柱的判别。

异形柱一般是指截面形状为L形、T形、十字形的砼现浇柱，异形柱的肢高和肢厚之比不宜大于4，肢厚的最小尺寸为200mm，最大尺寸应小于300mm，肢高不应小于500mm。

1.2异形柱设计的一般原则。

适用范围和适用高度：异形柱结构主要用于住宅建筑，也可用于较为规则的一般民用建筑。异形柱结构可用于框架结构和框架――剪力墙结构。非抗震设计的地区以及抗震设防烈度为6度（0.05g）、7度（0.10g，0.15g）和8度（0.20g）的地区可采用异形柱结构。影响异形柱结构高度的主要因素有：是否为抗震设计、抗震设防烈度、场地类别、柱网尺寸、设计基本地震加速度（50年设计基准期超越概率为10%的地震加速度取值）、节点承载力。设计时应注意异性柱结构的高度是指从室外地面到主要屋面板的高度，当建筑物是坡屋顶时，若檐口标高出不设水平楼板，总高度应算至坡高的1/2处。

抗震等级划分：影响异形柱结构抗震等级的主要因素有：结构体系、设防烈度、建筑物高度、场地类别、设计基本地震加速度。同矩形柱结构相比，异形柱结构抗震等级划分的高度分界明显降低。

最大轴压比限制：异形柱的轴压比反映了异形柱的塑性变形能力，限制轴压比可保证异形柱有足够的延性。影响异形柱延性的主要因素有：载荷作用方向角、箍筋间距和纵筋直径的比值、配箍特征值、轴压比、构件界面形式。查JGJ149-2006，根据结构体系、抗震等级、异形柱的截面形式即可确定异形柱的轴压比值。

1.3异形柱受力特点。

（1）荷载角对T形、L形双向压弯构件的正截面承载力有较大影响，十字柱受载荷角的影响较小。

（2）载荷角亦影响异形柱的受剪承载力，由于异形柱的翼缘起到有利的作用，所以T形、L形柱抵抗斜向地震作用下的剪切破坏的能力高于矩形柱。

（3）在相同的条件下，节点水平截面面积相等的异形柱框架节点受剪承载力弱于矩形柱。高轴压比对节点核心区受剪承载力起到不利作用。

1.4异形柱结构设计与计算。

异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架――剪力墙结构和异形柱框架――核心筒结构，异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。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不利影响必须重视。因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，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筑模型计算。当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA5•0)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的计算程序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。一般，比值（A距/A异）约在1.10～1.30之间。因此，用矩形替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值（A距/A异）对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。

对有剪力墙（或核心筒）的异形柱结构，由于异形柱分担的水平剪力很小，由此产生的翘曲应力基本可以忽略，为简化计算，可按面积等效或刚度等效折算成普通框架――剪力墙(或核心筒)结构进行内力与位移分析。按面积等效更能反映异形柱轴压比的情况，且面积等效计算更为简便。但应注意，按面积等效计算时，须同时满足下述2个公式要求：

(1) A矩=A异； (2) b/h= (Ix异/Iy异) 1/2

式中:A矩、A异――分别为矩形柱和异形柱的截面面积。

b、h――分别为矩形截面的宽和高。

Ix异、Iy异――分别为异形柱截面x、y向的主形心惯性矩。

一般来说，按面积等效计算时，矩形柱的惯性矩比异形柱的要小。但对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，计算分析表明，按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。对异形柱的截面设计，可根据上述方法求得的内力，采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算。

1.5异形柱结构设计重视的问题。

（1）在一般情况下，矩形柱结构在建筑结构的两个主轴方向（0°和90°方向）分别计算水平地震作用并进行抗震验算即可。但载荷角对异形柱的承载力和延性均有较大的影响，和异形柱相连的有梁、板、填充墙，计算地震作用下最不利载荷角时，应考虑这些构件对异形柱刚度的贡献。确定整个结构的最不利载荷角是一个较复杂的理论问题，工程设计中通常采用实用方法。对于6度区以及设计地震基本加速度为0.1g的7度区，异形柱的配筋通常是构造配筋，载荷角的影响不明显。但对于7度区（0.15g）、8度区（0.20g），应补充输入45°进行地震作用下内力和位移计算，如果不等肢的异形柱较多，荷载会影响较大，应补充其他角度进行水平地震作用计算，以保证建筑结构的安全。设计时应特别注意结构的底部、角部、负荷较大的部位的异形柱在不同荷载角作用下的内力变化影响程度。

（2）和矩形柱结构不同的是，异形柱结构在设防烈度为6°、7°、8°的条件下，均要进行地震计算和防震验算，尤其经过汶川大地震的灾难，设防烈度更应提高。而对于剪切形结构，异形柱结构计算水平地震作用的方法宜采用振型分解反应谱法，不宜采用底部剪力法，防止产生失误。

2. 短肢剪力墙结构设计问题

2.1对短肢剪力的判别。

短肢剪力墙的形状通常为T形、L形、I形、十形。现行行业规范JGJ3-2002规定，短肢剪力墙是指墙肢截面高度和厚度之比为5～8的剪力墙。

2.2短肢剪力墙设计的原则。

（1）短肢剪力墙结构的最大适用高度：在7°抗震设计最大高度为100m；8°为60m；B级高度高层建筑和9°抗震设计的A级高度的高层建筑，即使设置筒体，也不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构形式。

（2）抗震等级划分：短肢剪力墙结构是一个新型的结构体系，还很少见到有关实际震害破坏的介绍报道资料，在规范JGJ 3-2002第七章中，规定其抗震等级应比JGJ 149-2006规定的一般剪力墙抗震等级提高一级使用较安全。

（3）轴压比限值：考虑到改善延性的需要，短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比，抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于0.5、0.6、0.7。对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，由于延性较差，轴压比限值相应降低0.1。

2.3短肢剪力墙的受力特点。

通过资料介绍对现有短肢剪力墙结构振动台实验结果，证明了短肢剪力墙结构的抗震性能是比较安全的。在多次地震下，模型基本完好，在设防烈度地震下，仅个别墙肢出现水平微细裂缝，罕遇地震作用阶段，出现大批有规律的裂缝，是裂缝出现和发展的主要阶段。扭转效应对结构影响较大。首批裂缝主要出现在端部剪力墙上，底部墙体破坏相对严重，与端部剪力墙相连的连梁出现裂缝较多，破坏最严重的是底部一字型的小墙肢。短肢墙体系同一般剪力墙体系相比，加速度反应较小、自震周期长、地震作用较小。

2.4短肢剪力墙设计及其计算。

短肢剪力墙结构是适应建筑发展要求，在近年来形成的特殊的剪力墙结构体系。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA程序中，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、TB-SA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，每端有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，精度一般较高。但对薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂(如有转换层)时，也存在一些不足，主要是薄壁杆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肢长较短(一般为墙厚的5倍~8倍)，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，一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其于剪力墙框支。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墙结构宜优先采用墙元模型软件(如SATWE)进行计算。当然，从整体上的内力(特别是下部支承柱的内力)分布情况来看，如果将剪力墙加以适当的处理，还是可以用TAT、TBSA对结构进行整体计算的。

2.5短肢剪力墙设计重视的问题。

（1）由于短肢剪力墙仍属于剪力墙的范畴，进行短肢墙的设计时可采用一般剪力墙的设计方法。

（2）对于短肢墙平面内梁，当跨高比小于5时，应按连系梁设计，在计算机软件中PMCAD可按剪力墙开洞方式输入，此时内力主要有水平力产生，计算时常常出现超筋现象，在不影响其承受竖向荷载的前提下，可对连梁的刚度进行折减（7°为0.7）；当跨高比大于5时，竖向荷载作用下产生的内力所占比例较大，应按框架梁设计，在PMCAD中可在洞中两端各增加节点按普通梁输入即可。

3. 异形柱的轴压比控制与短肢剪力墙中转换层的设计

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。根据《高规》规定，为便于应用，建议在6度设防区，对于异形柱框架结构， L形截面柱的轴压比不应超过0.6(按截面的实际面积计算)，T形截面柱的的轴压比不应超过0.65，十字形截面柱的轴压比不应超过0.8；对于异形柱框架――剪力墙(或核心筒)结构，由于框架是第二道抗震防线，所以框架柱的轴压比限值可放宽到0.65(L形)、0.70 (T形)、0.90 (十字形)，但对于转换层下的支承柱，其轴压比仍不应超过0.60。短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。根据高长比不宜小于4，在梁高为600 mm的前提下，当标准层层高为3.0 m时，异形柱的最大肢长可为600 mm；底层层高为4.2 m时，肢长可为900mm设置。

现代高层建筑及住宅工程的地下室和下部几层，由于停车和商业用房需较大空间，就需通过转换层来实现。在短肢剪力墙结构中，一般都只将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其余剪力墙框支。据研究试验表明，“框支剪力墙结构当转换层位置较高时，转换层附近层间位移角及内力分布急剧突变，内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现；转换层下部的'框支'结构易于开裂和屈服，转换层上部几层墙体易于破坏。这种结构体系不利于抗震。高烈度区(9度及9度以上)不应采用； 8度区可以采用，但应限制转换层设置高度，可考虑不宜超过3层；7度区可适当放宽限制。”因此，应该在6度抗震设防区，短肢剪力墙结构中转换层设置高度不宜超过5层，避免高位转换。转换层上下的层刚度比γ宜接近1，不宜超过2。转换层位置较高时，宜同时控制转换层下部“框支”结构的等效刚度(即考虑弯曲剪切和轴向变形的综合刚度)，使EgJg与EcJc接近。EgJg为剪力墙结构的等效刚度，剪力墙结构高度取框支层的总高度，其平面和层高与转换层上部的剪力墙结构相同；EcJc为转换层下部“框支”结构的等效刚度。在控制转换层下部'框支'结构的等效刚度时，对于减少转换层附近的层间位移角和内力突变是十分必要的，效果也很是显著的。

简而之言，短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的工程需求，在设计中根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋，其结构才能有可靠的安全适用及耐久性。

参考文献

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［文章编号］1006-7619（2011）12-22-260