对短肢剪力墙与异形柱结构的分析计算

摘要：随着人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高，原来普通框架结构的露粱露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。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，更得到了住户与房开商的欢迎。本文旨在对异形柱与短肢剪力墙结构设计中的相关问题进行分析。

关键词；异形柱；短肢剪力墙；结构设计

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。目前，现行国家规范或规程中尚未给出有关异形柱与短肢剪力墙结构设计的条款，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。

一、短肢剪力墙结构与异形柱结构的简要介绍

1、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。

对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析棚同，可采用三维杆一系簿壁柱空间分析方法或空间杆一墙组元分析方法，其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。虽然三维杆系一簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该用空问杆一墙组元程序进行校核。

2、异形柱结构

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。

目前，异形柱结构设计还没有统一的国家规范，仅有两部地方性法规，即广东省标准DBJ／TI 5一15-95和天津市标准DB29-16-98可供参考。

总之，短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的市场需求，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保证。

二、异形柱结构型式的设计

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。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影响不容忽视。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模计算。

按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计，相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。

(1)由于短肢剪力墙结构相对干普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内简，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防；

(2)短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率。

(3)高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢；

(4)各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心；

(5)高层结构中的连梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙问的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架粱要求，控制砼压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70％-80％来解决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。

三、短肢剪力墙结构及其计算

短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在进行异形柱结构设计时，除满足高规中对结构布置要求外，还应注意几个方面的问题：

1、异形框架的计算

由于其截面的特殊性，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，特别是在框――剪，框――筒结构中，对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则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。在进行内力计算和配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式，如要用它进行计算，要先进行等刚度等面积换算成矩形柱，进行整体分析，得到双向内力后再进行异形柱的截面设计，其工作量相当大，且截面设计的可靠性不高。

2、轴压比控制

对框架结构，框一剪结构，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。

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干矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。

四、短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计

建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部的小墙肢、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，底部的小墙肢，截面面积小且承受较大的竖向荷载，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小，使连粱受剪破坏的可能性增加。因此，住短肢剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，更应加强概念设计和抗震构造措施。