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摘要：以大量试验资料与工程实践为例证，讨论短肢剪力墙结构与异形柱框架的这两种结构形式的受力特点，并分析了各自的结构计算、构造的相关问题。
关键词：短肢剪力墙；异形柱框架
当今房地产行业，越来越高的要求住宅，特别是高层住宅平面与空间的使用合理性、经济性，以往普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔的布置形式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。这两种结构很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了设计师的肯定，更得到了住户与房开商的欢迎。为此，本文对这两种高层住宅结构型式的受力特点、及构造要求进行阐述。
1、短肢剪力墙结构
《高层建筑混凝土结构技术规程》给出定义：短肢剪力墙结构是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙。常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、“一”字型及折线型。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、肢长可控性高，可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；③布置灵活，可配合建筑多方案选择；④连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖向平面内，隐蔽性好；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。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相同，可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-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-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，应该用空间杆-墙组元程序进行校核。在进行以上分析后，按《高层建筑混凝土结构技术规程》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需引起重视。
（1）相对于普通剪力墙结构，短肢剪力墙结构的抗侧刚度相对较小，设计中不应采用具有较多短肢剪力墙的结构形式，可利用电梯、楼梯间形成刚度较大的内筒，形成两道抗震设防体系，以避免设防烈度下结构产生大的变形，；
（2）短肢剪力墙在承受地震扭转作用时，建筑平面外边缘的角部处的墙肢抗震能力薄弱，扭转效应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，底部外围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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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；
2 异形柱结构
异形柱是指在满足结构刚度和承载力等要求的前提下，根据建筑使用功能，建筑设计布置的要求而采取不同几何形状截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱，诸如“L”型、“T”型、“十”字形等形状截面的柱。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙。这种结构的特点是：①由于截面的特殊性，使得墙肢平面内外两个主轴方向刚度相差甚大，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（柱子净高与截面高度之比Hn/h≥4）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（Hn/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu为混凝土的极限压应变，χ为截面受压区高度）较小，使弯曲变形性能有限，延性较差；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混凝土协调变形和内力，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，也使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，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，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
在进行异形柱结构设计时，除满足高规、抗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，按混凝土设计规范计算，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。
（2）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，且轴压比又是影响混凝土柱延性的一个关键指标。由试验结构分析，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，剪应力使混凝土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。
（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，柱肢端部会出现较大应力，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，应在肢端设暗柱，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束混凝土变形，增大其延性。
随着国家行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》颁布，混凝土异形柱结构将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，为用户提供了理想的居住环境，受到房地产开发商和广大用户的欢迎，由于其符合室内布置的要求，且与墙体（指填充墙）连接良好，在我国许多省市的住宅建筑已有广泛的实际应用，近年来逐渐扩展到用于平面及竖向布置较为规则的宿舍建筑等，工程实践表明效果良好。甚至在8度（0.20g）地震设防区也得到应用。
综上，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。
论文作者:幸乾山
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/28
标签：结构论文; 异形论文; 截面论文; 延性论文; 剪力墙论文; 刚度论文; 应力论文; 《基层建设》2016年9期论文;