浅析中高层住宅建筑的结构选型

浅析中高层住宅建筑的结构选型
赵晓军
摘要：通过方案比较，提出适合中高层住宅的两种结构选型，即异形柱框架和短肢剪力墙结构。详述了这两种结构形式的受力特点和工作性能，并据此提出了结构设计要点，为结构设计提供参考。
关键词：中高层住宅异形柱框架短肢剪力墙受力特性设计建议
一、前言
中高层住宅一般采用框架结构或框架剪力墙结构。随着人们对住宅平面与空间的要求越来越高，原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间分隔的限制都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“异形柱框架结构”和“短肢剪力墙结构”。
二、两种结构选型的特点
（一）、异形柱框架结构
所谓异形柱框架结构即是由异形柱组成框架，由轻质墙填充而形成。异形柱框架结构住宅的特点：
1、T形边柱、十字形中柱、L形角柱组成的框架。
2、填充墙与柱肢、梁宽同厚，室内不出现柱角。
3、填充墙的墙体材料可因地制宜，就地取材。
（二）、短肢剪力墙结构
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍的特殊剪力墙结构，常用的墙肢平面形式有“T”型、“L”型、“十”型、“Z”型、 “一”型。这种结构型式的住宅其特点：
1、结合建筑平面，利用隔墙位置灵活布置墙肢；
2、连接各墙的梁，随墙肢位置而设于隔墙平面内，基本上不影响建筑使用功能；
3、墙的数量和肢长主要由抗侧刚度的需要而定，可通过墙体布置和尺寸来调整刚度中心的平面位置；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。
4、较一般剪力墙结构工程造价低。
这两种结构由于克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定，更得到了住户的欢迎，为此，本文对这两种适合中高层住宅的结构型式的受力特点进行阐述，并对在结构设计中应注意的相关问题提出建议。
三、两种结构型式的受力分析
现行国家规范或规程中尚未给出有关异形柱框架结构与短肢剪力墙结构设计的条款。目前，广东省标准DBJ/T15-15-95和天津市标准DB29-16-98两部地方性规程是异形柱结构体系的主要设计依据。因此，结构设计人员在设计中常会遇到一些规范或规程尚未论及的问题，需要设计人员积累经验，利用正确的概念进行设计。
（一）、异形柱结构受力特点与设计
异形柱是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。
由于异形柱截面不对称，在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。
1、异形柱结构的受力特点：
（1）由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；
（2）异型柱通常在短柱范围，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，使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，导致异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；
（4）由国内外大量的试验资料和理论分析，[1]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。
2、异形建筑受力点在设计中应注意的几个问题：
（1）计算模型的选用
目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的TAT、SATWE程序，广东省建院的SS、SSW程序以及天津大学的钢筋砼异形柱结构配筋计算程序CRSC。这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地保证结构安全性。
在异形柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性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。特别是对框架柱承担水平力较小时，可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。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，应对异形柱框架结构进行有限元分析。
（2）异形柱截面刚度取值
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。[2]因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，宜用比值（A矩／A异）对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。
对于异形柱框架-剪力墙结构，由于异形柱分担的水平剪力很小，可按面积等效或刚度等效折算成普通框架—剪力墙结构进行内力与位移分析。按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。3但应同时满足下面两式： A矩=A异和 b/h=Ix异／Iy异。
（3）异形柱轴压比控制
柱的轴压比是影响混凝土柱延性的一个关键指标。柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。[4]特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，加上异形柱多属短柱，故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。
（4）配筋构造
由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力。应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。柱肢端部设置构造纵筋和箍筋，这样可限制柱肢的混凝土裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。
（二）、短肢剪力墙结构受力特点
1、短肢剪力墙结构的受力特点：
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。其计算模型、配筋方式和构造要求均类似于普通剪力墙结构。但相对于普通剪力墙结构其有以下特点：
（1）其抗侧刚度相对较小。
（2）建筑角点处的墙肢及底部平面外边缘小墙肢是其抗震薄弱部位。[5]
（3）墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁受力状态已介于一般剪力墙间的连梁与普通框架梁之间。
2、结构设计中应从以下几个方面引起注意：
（1）计算模型的选取
短肢剪力墙结构由于肢长较短，本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用三维杆系-簿壁柱空间分析方法（TAT、TBSA）计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力，精度较高。但是，薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂（如有转换层）时，也存在一些不足，主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响，当结构布置复杂时变形不协调，这时应该用空间杆-墙组元程序（TBSSAP、SATWE）进行校核。
（2）避免结构发生扭转效应，加强抗震薄弱部位的构造措施。在地震作用下，当有扭转效应时，会加剧建筑平面外边缘的墙肢的翘曲变形。因此，短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心，以减小扭转效应；从抗震构造措施上应适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度，减小轴压比，加强墙肢端部的暗柱配筋等以提高墙肢的承载力和延性。
（3）加强底部外围小墙肢的延性。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。底部外围小墙肢同时承受着较大的竖向荷载和扭转剪力，因而对外围小墙肢应加大厚度和配筋量，提高外围小墙肢的抗震性能。尤其要避免形成孤立的“一”字形墙肢，保证小墙肢在两个方向上均有连接。
（4）连梁的延性设计。由于短肢剪力墙结构中墙肢刚度相对减小，连梁跨度增大，其受力已接近普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁。设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏。[6]因此，不能在计算的总体信息中盲目将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁要求，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。
四、结语
总之，异形柱与短肢剪力墙结构因其特有的优越性能较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。异形柱框架结构与短肢剪力墙结构在结构设计中应从重视概念设计，充分了解其各种破坏的机理，根据其受力特点选用合理的结构分析模型，采取适当的抗震构造措施等多方面来保证结构有可靠的安全性。