郭東亮　馬彥飛

隨著住宅樓宇尤其是高層住宅的需求量的增加，外露梁和普通剪力墻的原有框架結(jié)構(gòu)嚴(yán)重制約和分離了建筑空間，無(wú)法滿足人們對(duì)住宅的空間要求，因此，在本有的剪力墻打下的基礎(chǔ)之上，取其結(jié)構(gòu)與框架的好處，逐漸的開(kāi)發(fā)出了合適居民新住宅的理念高層住宅結(jié)構(gòu)方式，即是“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”與“異形柱框架結(jié)構(gòu)”。此上的新型結(jié)構(gòu)避免了普通構(gòu)造之中的不足之處，取得了建造師一致好評(píng)，也受到了居民和開(kāi)發(fā)商們的歡迎。以下將對(duì)以上提到的新型高層住宅的結(jié)構(gòu)受力特征，結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)造需求展開(kāi)分析。

1　短肢剪力墻的構(gòu)造分析

短肢剪力墻的構(gòu)造需要截面的橫截面低于300mm，墻肢長(zhǎng)度是厚度的 5～8 倍，剪力墻的結(jié)構(gòu)常用分為“T”字型，“十”型，L 字型，“一”字型，“折線”型與“Z”字型這樣的結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)有：

（1）與建筑平面圖相結(jié)合，垂直構(gòu)件采用隔墻的位置進(jìn)行布置，這與建筑物的功能基本上沒(méi)有沖突。

（2）根據(jù)側(cè)向力的需要，壁的數(shù)量可以更多或更少，并且肢體的長(zhǎng)度可以長(zhǎng)或短，主要依據(jù)其抗側(cè)力的需求進(jìn)行改動(dòng)，剛度中心的位置需要根據(jù)不一樣的大小和布局來(lái)進(jìn)行改動(dòng)。

（3）可以靈活的布置，其方案相對(duì)來(lái)講也比較多，同時(shí)方案也比較的簡(jiǎn)單易懂。

（4）連接處的大梁可根據(jù)墻肢的位子定于間隔墻的豎平面內(nèi)，可隱藏。

（5）依據(jù)建筑物的抗側(cè)剛度需求，運(yùn)用中心點(diǎn)的剪力墻，將此構(gòu)造成重要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，可比較容易滿足強(qiáng)度與剛度的需求。

對(duì)于短肢剪力的墻結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)，由于這是剪力墻進(jìn)行大開(kāi)口從而形成的，因此基本上和普通的剪力墻構(gòu)造分析相似，可以運(yùn)用空間桿-墻的組元分析法或者是三維桿-系簿壁柱的空間分析法，前一種方式如清華大學(xué)TUS或者是建研院TBSSAP、SATWE，廣東省的建院SSW等等，后一種方式有廣東的建筑設(shè)計(jì)院廣廈的CAD的SS的模塊亦或是建研院TAT和TBSA。而這當(dāng)中的空間桿壁成分分析方法的計(jì)算模型更符合實(shí)際情況，準(zhǔn)確度更高。雖然三維柱式壁樁的空間分析程序早期使用并有更廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于帶有較長(zhǎng)壁墩的短肢剪力墻應(yīng)采用空間桿壁構(gòu)件程序進(jìn)行校準(zhǔn)。

經(jīng)過(guò)以上分析得出，按照書(shū)籍《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工規(guī)范》對(duì)其構(gòu)造和截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，與異形柱的結(jié)構(gòu)相對(duì)比，短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)其理論和實(shí)踐都比較成熟，但是，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依舊需要對(duì)以下一些方面重視：

（1）因?yàn)槎讨袅Y(jié)構(gòu)與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比相對(duì)較小，因此其抗側(cè)剛度相對(duì)較小。因此，應(yīng)在設(shè)計(jì)中設(shè)置一定數(shù)量的長(zhǎng)墻，或者應(yīng)使用電梯和樓梯間形成相對(duì)剛性的內(nèi)筒從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，與此同時(shí)也形成兩個(gè)抗震設(shè)防；

（2）短肢剪力墻構(gòu)造其抗震弱點(diǎn)地方是建筑物外邊角的墻肢。當(dāng)存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，現(xiàn)有的翹曲變形會(huì)加劇，墻肢將首先開(kāi)裂，因此應(yīng)對(duì)墻體的抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)。比如降低軸壓比等措施，增加縱筋與箍筋的配筋率；

（3）在水平力作用下的高層短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出彎曲變形，而底部周?chē)男χ艿捷^大的扭轉(zhuǎn)剪力與垂直荷載，有的模型試驗(yàn)反映了外層墻肢進(jìn)產(chǎn)生開(kāi)裂，因此應(yīng)增加周壁墻肢的配筋量與厚度，以增強(qiáng)小壁墻肢的延展性和抗震性能。短肢壁需要在兩個(gè)方向上進(jìn)行連接，以避免產(chǎn)生被孤立的“一”形墻肢；

（4）墻肢的分布應(yīng)盡可能均勻，以使建筑物的剛度中心和形心應(yīng)盡可能接近。如有必要，需使用長(zhǎng)肢墻調(diào)節(jié)剛度中心；

（5）在高層的結(jié)構(gòu)中，連梁是耗能部件。在短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)中，墻肢的剛度相對(duì)降低，連接各個(gè)墻肢的梁與普通的框架梁相似，這與一般的剪力墻連梁不同。在計(jì)算的總體信息中，不應(yīng)該降低連梁的剛度，以減少設(shè)計(jì)的內(nèi)力，應(yīng)該按照普通的框架梁去就，對(duì)混凝土壓區(qū)的高度進(jìn)行控制，其中梁端負(fù)彎矩鋼筋可根據(jù)塑性調(diào)幅的70～80%進(jìn)行解決，按照強(qiáng)剪弱彎的原理，對(duì)強(qiáng)柱弱梁其延性需求展開(kāi)計(jì)算。

2　異形柱的結(jié)構(gòu)分析

異型柱結(jié)構(gòu)指的是柱肢柱肢寬度和截面高度之比為2-4，它是相對(duì)于正方形和矩形柱的異形柱。其包含了異形柱框架與異形柱框架的剪力墻。最常使用的有“L”字型，“T”字型和“十”字型。這些結(jié)構(gòu)其特點(diǎn)為：

（1）因?yàn)闄M截面的特殊性，平面內(nèi)外墻肢的兩個(gè)方向的剛度差異比較大，從而導(dǎo)致各個(gè)方向的剛度達(dá)不到不一致，各個(gè)方向的承載能力也產(chǎn)生較大的差異。

（2）針對(duì)長(zhǎng)柱（H/h＞4）可不考慮到剪切變形產(chǎn)生的影響，控制軸壓相對(duì)較小的時(shí)候，其受力較明確，變形性能也比較好。但是相對(duì)于短柱（H/h＜4），剪切變形則會(huì)占一定的比例，構(gòu)件的變形能力也隨之下降。異形柱一般在短柱的范圍內(nèi)，并且屬于薄壁構(gòu)造，即使產(chǎn)生了延性彎曲形的破壞，也會(huì)因?yàn)榻孛媲蔒/EI或者εcu/χ（εcu是混凝土的極限壓應(yīng)變，χ是截面受壓區(qū)高度）比較小，使得彎曲變形的性能有限，延性也比較差。

（3）由于異形柱是多肢的，它們的剪切中心傾向于超出平面范圍，并且當(dāng)施加受力時(shí)，它們必須依靠柱各柱肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形與內(nèi)部力。此變形協(xié)調(diào)將使得各柱肢內(nèi)都有相當(dāng)大的剪應(yīng)力與翹曲應(yīng)力，并且此剪應(yīng)力存在，會(huì)使得柱肢易極易產(chǎn)生裂縫，從而使各肢核心混凝土處于一個(gè)三向剪力的狀態(tài)，進(jìn)而使異形柱比較普通的截面柱變形能力下降，脆性破壞較明顯。

（4）尤其是異形柱與矩形柱不同之處在于它具有單純翼緣柱肢的受壓情況，并且其延展性更差。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論進(jìn)行分析，異形柱其破壞模式分為：彎曲破壞，壓剪破壞與小偏壓破壞等等。對(duì)破壞的形態(tài)產(chǎn)生影響的因素包括荷載角，剪跨比與軸壓比。箍筋的比率，箍筋間距S和縱筋的長(zhǎng)度D之比等等。因?yàn)槭芰π缘膹?fù)雜性質(zhì)，設(shè)計(jì)必須要依靠可靠計(jì)算與必要結(jié)構(gòu)的措施從而確保其強(qiáng)度與延展性。

在對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了要對(duì)高規(guī)中對(duì)的結(jié)構(gòu)布置產(chǎn)生的要求進(jìn)行滿足外同時(shí)還應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面問(wèn)題：

（1）異形框架的計(jì)算

因?yàn)闄M截面特殊性，當(dāng)水平力作用于柱截面的對(duì)稱(chēng)軸時(shí)，彈性分析計(jì)算出的翹曲應(yīng)變力較小。此時(shí)，偏壓構(gòu)建承受了水平力，它仍然可以被看作是平面截面假設(shè)分析，按照混凝土設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范的計(jì)算，尤其是框——筒，框——剪的構(gòu)造中，框架柱僅承受6度及以下的I類(lèi)和II類(lèi)場(chǎng)地的水平風(fēng)荷載的其中一小部分。按照一般的偏壓柱進(jìn)行計(jì)算的錯(cuò)誤較少。在這種情況下，異形柱可以用剛度相同的矩形柱代替，然后通過(guò)程序進(jìn)行分析。但是，如果水平力較大而水平力作用于非主軸方向，則翹曲應(yīng)力將不可以被忽視。如果按照平截面假定存在較大誤差，則應(yīng)進(jìn)行異型柱框架結(jié)構(gòu)的有限元分析以確定內(nèi)力和鋼筋的位置和尺寸。在計(jì)算內(nèi)力與計(jì)算配筋的時(shí)候，應(yīng)選擇具有異形柱計(jì)算的功能計(jì)算軟件。有一些軟件不存在異形柱的截面形式。假使要用于計(jì)算，首先必須將它們轉(zhuǎn)換成具有相同剛度和其他區(qū)域的矩形柱，并且應(yīng)該進(jìn)行總體分析以獲得異形截面設(shè)計(jì)之前的雙向內(nèi)力列。工作量是非常大的。而且截面設(shè)計(jì)的可靠性普遍不高。

（2）軸壓比的控制

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，框——剪的結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)耗散地震中產(chǎn)生的能量，阻止框架倒塌，有著相當(dāng)重大的作用，并且軸壓比同事影響著混凝土柱的延性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)分析得出，柱側(cè)移的延性比根據(jù)軸壓比值增高而急劇的下降。

根據(jù)高軸壓比值的情況，對(duì)于提高柱延性，增加其箍筋的用量作用已經(jīng)微乎其微，因此，軸向壓縮比的控制對(duì)于異形柱的延展性有著非常大的影響，特別是異形柱的結(jié)構(gòu)剪切力，剪切力的中心和剪切力的橫截面中心彼此不重合，剪切應(yīng)力使夯柱肢優(yōu)先于普通的矩形壓減組件顯示裂縫并且發(fā)生腹部剪切破壞。另外，異型柱大多是短柱，這些都將直接導(dǎo)致了異形柱的脆性表現(xiàn)明顯，使得異形柱延性大多比矩形柱低，因此對(duì)異形柱軸壓比值需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（3）配筋的構(gòu)造

在正確結(jié)構(gòu)選型和核算之后，截面內(nèi)部的鋼筋構(gòu)造也將對(duì)異形柱的受力性能產(chǎn)生重大影響。因?yàn)楫愋沃慕孛嫣卣?，柱肢的端部則會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，加之梁作用于柱肢上應(yīng)力不均勻，通常情況下越靠近肢端的應(yīng)力越大，對(duì)柱肢產(chǎn)生偏心壓力，從而進(jìn)一步的加大了肢端的壓應(yīng)力。因此在對(duì)異形柱進(jìn)行配筋時(shí)，應(yīng)該在肢端處設(shè)暗柱，暗柱外排的鋼筋根據(jù)計(jì)算之后而定。離端部的厚度應(yīng)該根據(jù)范圍設(shè)2φ14的結(jié)構(gòu)縱筋，箍筋同柱，即可以限制柱肢混凝土裂痕開(kāi)展，增強(qiáng)異形柱的局部變形的能力和抗壓抗剪的強(qiáng)度。柱的箍筋不但可抗剪，也可以約束混凝土的變形，增強(qiáng)了它的延展性。異形柱因?yàn)椴蝗菀鬃兂啥嘀膹?fù)合箍，因此其配筋率將只能通過(guò)加大箍筋的直徑與加密間距進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在相同的配箍率下，箍筋的直徑大，延性的指標(biāo)越好，因此箍筋可用φ8、φ10，它的間距會(huì)比普通柱的箍筋間距窄。

3　小結(jié)

總而言之，短肢的剪力墻構(gòu)造和異形柱的框架構(gòu)造都具有巨大的市場(chǎng)需求。根據(jù)其應(yīng)力特點(diǎn)，必須掌握其各種損傷機(jī)理，選擇合適的結(jié)構(gòu)，正確理解計(jì)算機(jī)分析和加固截面的配筋是確保結(jié)構(gòu)可靠和安全施工的唯一途徑。

[1]孔令倉(cāng).短肢剪力墻的構(gòu)造布局與落地墻抗震性等能探究與分析[D].西安建筑科技大學(xué)，2014.

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[3]郝省玲.對(duì)L型的短肢剪力墻其抗剪性能的探究與分析[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.