异形柱和短肢剪力墙体系的结构设计

摘要：现代住宅通常都要求大开间，房间平面布置比较灵活，室内没有柱楞等，而异形柱及短肢剪力墙则可以很好的满足这一要求，所以应用也越来越广泛。不过现行的国家规范中对异形柱以及短肢剪力墙结构设计规定还不够明确，因此在实际设计过程中，设计人员需要注意要运用正确的概念。本文就针对异形柱以及短肢剪力墙体系的结构设计进行讨论。
关键词：异形柱；短肢剪力墙；结构设计
一、异形柱和短肢剪力墙结构体系的特点
异形柱与短肢剪力墙的结构体系特点主要体现在以下几点：第一，与建筑平面相结合，布置竖向构件是将间隔墙的位置加以充分利用，与建筑的使用功能几乎不会有矛盾之处。通过合理的结构计算，墙的数量可自由设置，肢的长短也可以自由设置，主要由抗侧力需要来确定，还可以通过不同的尺寸与布置对刚度中心位置进行调整；第二，布置灵活，有较大的调整空间，方案选择的范围也比较大，对于支承楼盖的要求处理比较简单，结构方案比较合理；第三，各个墙连接的梁会随着墙肢的位置隐于间隔墙竖平面内，基本上是隐蔽的。
二、异形柱的结构设计
（一）异形柱结构形式计算
异形柱的结构形式包括异形柱框架结构、框架剪力墙结构以及框架核心筒结构三种。按照相关试验结果显示，异形柱框架结构的破坏特征类似于矩形柱框架结构，其底层柱的上、下端是柱的危险截面，受到破坏时，异形柱和梁柱节点的裂缝不明显，异形柱的长细比较大，有丰满的滞回曲线，变形能力及层间变形能力比较强。因为异形柱的截面是不对称的，受到水平力的作用时会产生双向偏心受压，从而承载力会受到一定的影响。所以在设计异形柱结构时要基于空间体系的角度加以考虑，最好先采取具有异形柱单元的计算软件分析其内力和位移。由于异形柱与短肢剪力墙的受力特点不一样，因以在实际计算时不得将异形柱按照短肢剪力墙的建模来计算。
如果空间分析程序没有异形柱单元，则在计算异形柱结构时，其内力分析可以参照薄壁杆件模型来进行。对于异形柱框架结构，在分析其内力和位移时，可以按照刚度等效折算为普通框架的方法来进行。如果刚度相等，矩形柱的截面面积要大于异形柱，比值大概为1.1左右。所以用矩形柱所计算出的轴压比数值还不能直接用于异形柱，最好再用比值对轴压比计算值放大后再用。
有些异形柱结构有剪力墙或者核心筒，此时异形柱所承提的水平剪力相对较小，其所产生的翘曲应力可以忽略不计。为了使计算更简单，在分析内力与位移时可以按照刚度等效或者面积等效将其折算为普通框架剪力墙或者核心筒，不仅异形柱轴压比的情况可以准确的反应出来，而且简化的计算过程。在进行异形柱的截面设计时同样可以按照上述方法得出内力，通过适用于异形柱截面受力特性的计算方法计算配筋。
（二）异形柱的受力性能及轴压比的控制
1、异形柱的受力性能
影响异形柱截面延性的因素有很多，主要包括轴压比、柱净高和截面肢长的高长比以及箍筋的直径和间距等。异形柱截面双向压弯柱的截面曲率延性可以通过增加纵筋或箍筋的直径、减小箍筋的间距等来实现，这其中箍筋间距的影响要远远大于箍筋直径的影响，因此要提高截面的延性可以通过加密箍筋的方法来实现。异形柱截面双向压弯柱破坏特征主要是由轴压比来决定的。轴压比越大，截面的曲率延性会降低，在设计过程中要特别注意这种情况。
与一般的矩形柱相比，异形柱的延性相对较差。因为异形柱中存在多肢，其剪力中心通常不会重合于截面形心，在处于受力状态时，各肢会产生翘曲正应力及剪应力。受到剪应力的作用，柱肢混凝土会比普通矩形柱先出现裂缝，即腹剪裂缝，因此异形柱的脆性比较明显，与普通矩柱相比变形能力比较低。
2、轴压比的控制
轴压比是保证异形柱延性的决定性因素，因此轴压比的控制特别重要。控制柱截面轴压比的主要目的即保证柱的截面尺寸足够大，避免出现小偏压破坏等现象，使得异形柱的变形能力得到提高，进一步满足抗震要求。为了应用方便，可以在6度设防区，对于异形柱框架结构而言，L形截面的轴压比要按制在0.6以内；而T形截面的轴压比则控制在0.65以内；十字形截面的轴压比控制在0.8以内。对于异形柱框架剪力墙结构来说，因为框架是第二道抗震防线，因此框架柱的轴压比与异形柱框架结构相比可以适当放宽，L形控制在0.65以内、T形控制在0.7以内，而十字形截面轴压比则控制在0.9以内。短柱受到压剪作用时会出现脆性剪切破坏现象，在设计中尽量不要出现短柱问题。而且要防止高长比低于4。异形柱是由短肢剪力墙向着矩形柱过渡的构件，其短肢截面肢长与肢宽的肢厚比要小于4。
三、剪力墙的结构设计
（一）短肢剪力墙的布置与计算
因为相对而言异形柱的抗侧刚度比较小，因此，在设计过程中为了防止其受到地震作用时结构发生过大的变形，最好布置一定数量的长墙，或者利用电梯间形成具有较大刚度的内筒。异形柱的结构计算模型、配筋方式以及构造要求等和一般的剪力墙结构是一样的，计算时在TAT、TBSA中按照剪力墙输入即可。TAT、TBSA所采用的均是杆件和薄壁杆件模型，其中梁和柱是普通的空间杆件，每端有6个自由度，墙为薄壁杆件，每端7自由度，与梁和柱相比墙多了一个扭转角沿纵轴的导数，即截面翘曲角。由于墙单元会受到非平面变形的作用，利用矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内的刚度无限大，再假定减少部分未知量后进行求解。这种方法在各种平面布置中比较适用，它有着精度高及未知量少的特点。不过在分析一些低宽、结构的布置较复杂的异形柱时，薄壁杆件模型也存在一定的问题，主要是由于其对于剪切变形的作用未作充分考虑，如果结构的布置比较复杂时变形就会不协调。而短肢剪力墙由地墙肢短，自身的形状细高，与杆件的性能更加接近，因此利用TAT、TBSA计算异形柱，可以将其结构受力精确的反映出来。
此外，一些异形柱设有转换层，受力面经过框支剪力墙向受力点过渡，因为薄壁杆件的连接处是点连接，因此这种情况下薄壁杆模型在处理位移的连续以及力的正确传递时效果就不太好，所以如果异形柱带有转换层，最后采用墙元模型软件来计算。
（二）异形柱设计的抗震问题
建筑平面外边缘、角点外的墙肢、底部外围小墙肢以及连梁等处，是异形柱中的抗震薄弱环节。如果出现扭转效应，最先开裂的往往是建筑平面的外边缘和角点处；受到地震的作用时，高层异形柱往往会发生整体弯曲变形，由于底部外围小墙肢的截面积较小但承受的竖向荷载却比较大，因此会受到严重的破坏。在因设计过程中要加强这些薄弱环节的抗震设计，比如在异形柱平面上所分布的力尽量均匀，使其刚度中心尽量接近建筑物中心，将扭转效应的影响降至最低；对于建筑平面的外边缘和角点处的墙肢，可以适当增加其厚度，加强墙肢端部的暗柱配筋，保证墙肢截面的轴压比要按制在0.6以内，使得墙肢的承截力及延性得到提高。在高层建筑中，连梁属于耗能构件，如果连梁的剪切受到破坏会降低结构的延性，不利于抗震，因此在设计时要注意连梁要作强剪弱弯的验算，短肢剪力墙最后在两个方向都有拉结的梁，而连梁最好布置在各肢的平面内部，禁止使用“一”字形墙肢。
参考文献：
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