異形柱與短肢剪力墻結構設計中的幾個問題

　　現(xiàn)代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內不出現(xiàn)柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結構能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應用。

　　目前，現(xiàn)行國家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關異形柱與短肢剪力墻結構設計的條款，因此，結構設計人員在設計中常會遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題，需要設計人員積累經(jīng)驗，利用正確的概念進行設計。 本文旨在對異形柱與短肢剪力墻結構設計中的一些問題進行探討，提出個人看法，供結構設計人員參考。

　　1異形柱結構型式及其計算

　　異形柱結構型式有異形柱框架結構、異形柱框架―剪力墻結構和異形柱框架―核心筒結構。 異形柱結構自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結構不同。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，對異形柱結構應按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序進行內力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計算時不應將異形柱按剪力墻建模計算。 當采用不具有異形柱單元的空間分析程序(如TBSA5.0)計算異形柱結構時，可按薄壁桿件模型進行內力分析。 對異形柱框架結構，一般宜按剛度等效折算成普通框架進行內力與位移分析。當剛度相等時，矩形柱比異形柱的截面面積大。一般，比值(A矩/A異)約在1.10-1.30之間[1]。因此，用矩形柱替換后計算出的軸壓比數(shù)值不能直接應用于異形柱，建議用比值(A矩/A異)對軸壓比計算值加以放大后再用于異形柱。 對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，由于異形柱分擔的水平剪力很小，由此產(chǎn)生的翹曲應力基本可以忽略，為簡化計算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架―剪力墻(或核心筒)結構進行內力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計算更為簡便。但應注意，按面積等效計算時，須同時滿足下面兩式： -----------------

　　(1)A矩=A異;(2)|b/h=(Ix異/Iy異)

　　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，按面積等效計算時，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，計算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計算結果是接近的。 異形柱的截面設計，可根據(jù)上述方法得出的內力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計算方法進行配筋計算。

　　2短肢剪力墻結構及其計算

　　短肢剪力墻結構是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構。其計算模型、配筋方式和構造要求均同于普通剪力墻結構。在TAT、TBSA中，只需按剪力墻輸入即可，而且TAT、TBSA更適合用來計算短肢剪力墻結構。TAT、TBSA所用的計算模型都是桿件、薄壁桿件模型，其中梁、柱為普通空間桿件，每端有6個自由度，墻視為薄壁桿件，每端有7個自由度(多一個截面翹曲角，即扭轉角沿縱軸的導數(shù))，考慮了墻單元非平面變形的影響，按矩陣位移法由單元剛度矩陣形成總剛度矩陣，引入樓板平面內剛度無限大假定減少部分未知量之后求解，它適用于各種平面布置，未知量少，精度較高。但是，薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結構布置復雜(如有轉換層)時，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響，當結構布置復雜時變形不協(xié)調。而短肢剪力墻結構由于肢長較短(一般為墻厚的5-8倍)，本身較高細，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計算短肢剪力墻結構能較好地反映結構的受力，精度較高。 對設有轉換層的短肢剪力墻結構，一般都只是將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支?？蛑Ъ袅κ鞘芰γ嫦蚴芰c過渡，由于薄壁桿件的連接處是點連接，所以用薄壁桿件模型不能很好地處理位移的連續(xù)和力的正確傳遞。因此，帶有轉換層的短肢剪力墻結構宜優(yōu)先采用墻元模型軟件(如SATWE)進行計算。當然，從整體上的內力(特別是下部支承柱的內力)分布情況來看，如果將剪力墻加以適當?shù)奶幚?，還是可以用TAT、TBSA對結構進行整體計算的[3]。

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　　3異形柱的受力性能及其軸壓比控制?

　　天津大學的試驗研究結果表明[4]：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長比(即柱凈高與截面肢長之比)是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個重要因素。 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)生翹曲正應力和剪應力。由于剪應力，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。 作為異形柱延性的保證措施，必須嚴格控制軸壓比，同時避免高長比小于4(短柱)?？刂浦孛孑S壓比的目的，在于要求柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求。廣東《規(guī)程》按建筑抗震設計規(guī)范(GBJ11―89)中所規(guī)定的柱子軸壓比降低0.05取用(按截面的實際面積計算);天津《規(guī)程》則根據(jù)箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級共同確定，其要求比廣東《規(guī)程》嚴格，例如，對s/d=5、4(即箍筋間距s=100mm，縱筋直徑d分別為20mm、25mm的情況)，箍筋直徑dv=8mm，抗震等級為三級的L形截面，其軸壓比限值分別為0.60，0.65。異形柱是從短肢剪力墻向矩形柱過渡的一種構件，柱肢截面的肢厚比(即肢長/肢寬)不大于4?！陡咭?guī)》(JGJ3―91)第5.3.4條，“抗震設計時，小墻肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二級剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于0.6”。根據(jù)上述分析，為便于應用，建議在6度設防區(qū)，對于異形柱框架結構，L形截面柱的軸壓比不應超過0.6(按截面的實際面積計算，下同)，T形截面柱的的軸壓比不應超過0.65，十字形截面柱的軸壓比不應超過0.8;對于異形柱框架―剪力墻(或核心筒)結構，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)，但對于轉換層下的支承柱，其軸壓比仍不應超過0.60。 短柱在壓剪作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞，設計中應盡量避免出現(xiàn)短柱。根據(jù)高長比不宜小于4，在梁高為600mm的前提下，當標準層層高為3.0m時，異形柱的最大肢長可為600mm;底層層高為4.2m時，肢長可為900mm。

　　4短肢剪力墻結構中轉換層的設置高度及框支柱

　　在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業(yè)用房需較大空間，就得通過轉換層來實現(xiàn)。在短肢剪力墻結構中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。 據(jù)研究表明[5]，“框支剪力墻結構當轉換層位置較高時，轉換層附近層間位移角及內力分布急劇突變，內力的傳遞僅靠轉換層一層樓板的間接傳力途徑很難實現(xiàn);轉換層下部的‘框支’結構易于開裂和屈服，轉換層上部幾層墻體易于破壞。這種結構體系不利于抗震。高烈度區(qū)(9度及9度以上)不應采用;8度區(qū)可以采用，但應限制轉換層設置高度，可考慮不宜超過3層;7度區(qū)可適當放寬限制。”因此，建議在6度抗震設防區(qū)，短肢剪力墻結構中轉換層設置高度不宜超過5層，避免高位轉換。轉換層上下的層剛度比γ宜接近1，不宜超過2。轉換層位置較高時，宜同時控制轉換層下部“框支”結構的等效剛度(即考慮彎曲剪切和軸向變形的綜合剛度)，使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結構的等效剛度，剪力墻結構高度取框支層的總高度，其平面和層高與轉換層上部的剪力墻結構相同;EcJc為轉換層下部“框支”結構的等效剛度。研究表明[5]，“控制轉換層下部‘框支’結構的等效剛度對于減少轉換層附近的層間位移角和內力突變是十分必要的，效果也很顯著?！?規(guī)范對框支柱的內力、軸壓比、配筋等的要求都嚴于普通柱?？蛑Ъ袅Y構當轉換層位置較高時，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟的問題。根據(jù)圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當轉換層位置較高(如高位轉換)時，除轉換層附近樓層的內力較復雜外，下面的結構受到的影響很小，應與普通框架結構基本一樣，不必按框支柱處理。文獻[6]計算了兩個28層的結構，一為內筒外框架結構，一為內筒外框支結構，轉換層設在18層。計算結果表明，轉換層下二層的內力影響很大，下三層的內力誤差最大為15%，下五層的內力已比較接近(最大誤差小于10%),下八層的內力已基本一樣(最大誤差小于5%)。這說明框支柱只需在五層范圍內加以考慮，其它層的柱子按普通框架柱處理即可。因此，建議當轉換層位置不超過五層時，轉換層下的各層柱均按框支柱處理;當轉換層位置超過五層時，轉換層下相鄰的五層柱按框支柱處理，而其它層的柱按普通框架柱處理。由于高位轉換對抗震不利，所以結構設計中應盡量避免高位轉換。

　　5短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設計

　　振動臺模擬地震試驗結果表明[7]，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當有扭轉效應，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂;在地震作用下，高層短肢剪力墻結構將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷載，破壞嚴重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴重;在短肢剪力墻結構中，由于墻肢剛度相對減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結構設計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)，更應加強概念設計和抗震構造措施。例如，短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質心盡量接近，以減小扭轉效應;適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度(宜取250mm，對底部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm)，加強墻肢端部的暗柱配筋，嚴格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6，以提高墻肢的承載力和延性;高層結構中連梁是一個耗能構件，連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;短肢剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結，連梁宜布置在各肢的平面內，避免采用“一”字形墻肢;短肢剪力墻底部加強部位的配筋應符合規(guī)范要求;等。