短肢剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)探討

楊優(yōu)越

(廣西華藍(lán)設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司530011  南寧市)

設(shè)計(jì)

    1.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

    短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長(zhǎng)度為厚度的5—8倍剪力墻結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)是：

    1.1結(jié)合建筑平面，利用間隔墻位置來(lái)布置豎向構(gòu)件，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾；      

    1.2能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡(jiǎn)單；   

    1.3墻的數(shù)量可多可少，肢長(zhǎng)可長(zhǎng)可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過(guò)不同的尺寸和布置來(lái)調(diào)整剛度中心的位置；

    1.4連接各墻的梁，隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)，可隱蔽；

    1.5根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，較易滿足剛度和強(qiáng)度要求。對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，因其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同，可采用三維桿系——薄壁柱空間分析方法或空間桿——墻組元分析方法，其中空間桿墻組元分析方法計(jì)算模型更符合實(shí)際情況，精度較高。雖然三維桿系——薄壁柱空間分析程序使用較早、應(yīng)用較廣，但對(duì)墻肢較長(zhǎng)的短肢剪力墻，應(yīng)該用空間桿一墻組元程序進(jìn)行校核。

    在進(jìn)行以上分析后，按《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行截面與構(gòu)造設(shè)計(jì)，相對(duì)于異形柱結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)踐較為成熟，但這種結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍然有需要引起重視的方面。

    (1)由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對(duì)較小，設(shè)計(jì)時(shí)宜布置適當(dāng)數(shù)量的長(zhǎng)墻，或利用電梯，樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，同時(shí)也形成兩道抗震設(shè)防；

    (2)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，會(huì)加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應(yīng)加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率；

    (3)高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主，底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力，由一些模型試驗(yàn)反映出外周邊墻肢開裂，因而對(duì)外周邊墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量，加強(qiáng)小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應(yīng)在兩個(gè)方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢；

    (4)各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時(shí)用長(zhǎng)肢墻來(lái)調(diào)整剛度中心；2．異形柱結(jié)構(gòu)  

2.異形柱結(jié)構(gòu)

    異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2—4，相對(duì)于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：   

    ①由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；

    ②對(duì)于長(zhǎng)柱(H／h>4)可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)短柱(H／h<4)，剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M／El或 Ecu／Y(gcu為砼的極限壓應(yīng)變，X為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；

    ③異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；   

    ④異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性差。由國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)資料和理論分析，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等；影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長(zhǎng)比(剪跨比)，配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過(guò)可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來(lái)保證其強(qiáng)度和延性。

    對(duì)有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu)，由于異形柱分擔(dān)的水平剪力很小，由此產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力基本可以忽略，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架一剪力墻(或核心筒)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計(jì)算更為簡(jiǎn)便。按面積等效計(jì)算時(shí)，須同時(shí)滿足下面兩式：

    ①A矩一A異；

    ②b／h=(Ix異／ly異)1／2式中，A矩、A異——分別為矩形柱和異形柱的截面面積-b、h——分別為矩形截面的寬和高；Ix異、Iy異——分別為異形柱截面x、Y向的主形心慣性矩。

    一般情況下，按面積等效計(jì)算時(shí)，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對(duì)有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計(jì)算結(jié)果是接近的。異形柱的截面設(shè)計(jì)，可根據(jù)上述方法得出的內(nèi)力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計(jì)算方法進(jìn)行配筋計(jì)算。

3.畀形柱的受力性能及其軸壓比控制

    異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態(tài)下，各肢產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比(即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比)是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個(gè)重要因素。

    《高規(guī)》(JGJ3—91)第5．3．4條，“抗震設(shè)計(jì)時(shí)，小墻肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二級(jí)剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于0.6”。根據(jù)上述分析，為便于應(yīng)用，建議在6度設(shè)防區(qū)，對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)，L形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過(guò)0.6(按截面的實(shí)際面積計(jì)算，下同)，T形截面柱的的軸壓比不應(yīng)超過(guò)0.65十字形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過(guò)0.8；對(duì)于異形柱框架一剪力墻(或核心筒)結(jié)構(gòu)，由于框架是第二道抗震防線，所以框架柱的軸壓比限值可放寬到0.65(L形)、0.70(T形)、0.90(+字形)，但對(duì)于轉(zhuǎn)換層下的支承柱，其軸壓比仍不應(yīng)超過(guò)0.60。

    短柱在壓剪作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱。根據(jù)高長(zhǎng)比不宜小于4，在梁高為600ram的前提下，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0m時(shí)，異形柱的最大肢長(zhǎng)可為600ram；底層層高為4.2m時(shí)，肢長(zhǎng)可為900ram。對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框一剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析，柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。

4.配筋構(gòu)造

    由于異形柱截面的特點(diǎn)，柱肢端部會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對(duì)柱肢形成偏心壓力，進(jìn)一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時(shí)，應(yīng)在肢端設(shè)暗柱，暗柱的外排鋼筋由計(jì)算而定。，離端部厚度范圍內(nèi)設(shè)2(14的構(gòu)造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強(qiáng)度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復(fù)合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標(biāo)好，因而箍筋采用8、l0，其間距可比普通柱箍筋間距小。

    總之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力的特點(diǎn)，充分了解其破壞的各種機(jī)理，選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面配筋，其結(jié)構(gòu)才能有可靠的安全保證。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及參考文獻(xiàn)：

[1]地方標(biāo)準(zhǔn)，《鋼筋混凝土異形柱規(guī)程(廣東)[S]》 DBJ／Tl5—15—95．   

[2]呂西林．《高層建筑結(jié)構(gòu)[M]》．武漢理工大學(xué)．2003．

[3]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S]》JGJ3—2002．

[3]地方標(biāo)準(zhǔn)，《大開間鋼筋砼異形柱輕框結(jié)構(gòu)技術(shù)(天津市) [s]>>DB29—16—98．

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)