异形柱与短肢剪力墙分析探讨

关键词：异形柱 短肢剪力墙 探讨 

　　概述： 

　　传统的框架由于剪力墙的严格限定分割和柱体在小开间房屋的棱角而影响空间视觉和家居布置，经过不断地实践，出现了断肢剪力墙和异形柱结构。“短肢”剪力墙就是采用了较短的剪力墙肢（短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5:8的剪力墙），其仍属于剪力墙结构体系，当这些墙肢截面高度与墙厚之比不小于3时，它已接近于柱的形式，但并非是方柱，此时称之为“异形柱”。 

　　一、异形柱结构 

　　异形柱结构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。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。异形柱结构建筑在七度区的最大适用高度为45m。 

　　（一）异形柱结构的特点 

　　1.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和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显。 

　　2.对于长柱(H／h>4)可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱(H／h<4)，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，使弯曲变形性能有限，延性较差。 

　　3.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。 

　　4.特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析，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，配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。 

　　（二）异形柱的设计 

　　1.异形柱框架宜双向布置，结构平面宜规则、对称、质量、刚度宜分布均匀，使质心和剪切中心重合，以减小扭转不利的影响。现有规程一般要求填充轻质材料，以利于结构抗震。 

　　2.竖向的质量分布和刚度变化应均匀，避免截面突变，造成结构的质量、刚度突变，产生薄弱层塑性变形集中现象。 

　　3.异形柱结构的框架梁高宽比较大，柱肢狭长，梁端形成刚域，在设计时应考虑刚域效应。 

　　4.由于目前精确计算地震作用尚有一定难度，异形柱体系又具有独特的力学特性，在进行结构布置时应注重概念设计。 

　　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倍剪力墙结构。常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。短肢剪力墙结构建筑最大适用高度为100m。 

　　（一）短肢剪力墙的受力特点 

　　1.短肢剪力墙一般较为高细，是一种强肢弱梁型连肢墙，破坏形态由受弯承载力控制，延性较好。 

　　2.据国内的一些试验结果可知，承受轴压力较大时，剪力墙延性较差，此时处于小偏心压弯状态。所以设计时应考虑使结构刚度适宜，传力路径明确。 

　　3.连梁跨高比较大，其破坏以弯曲破坏为主，部分出现剪切破坏。地震作用下首先在连梁端部出现塑性铰，一般情况下连梁首先开裂，然后墙肢开裂。连梁起到很好的耗能作用。连梁和墙肢的刚度比影响短肢墙的受力性能，在设计中一般取在0.03―0.05范围内较好。 

　　4.高宽比增大，延性较好，其破坏以弯曲破坏类型为主。 

　　5.的翼缘和腹板相交处应力集中现象明显，出现明显的上下贯通裂缝。 

　　6.型剪力墙由于扭转作用破坏最为严重，所以在设计中 

　　应尽量避免这种形式。 

　　7.平面外边缘及角部处的墙肢是抗震薄弱部位，当有扭转效应时，此部位的墙肢首先开裂，因此设计时应减小轴压比、增加纵筋和箍筋的配筋率。 

　　（二）短肢剪力墙布置及其计算 

　　由于短肢剪力墙的抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙(相对短肢而言)或利用电梯问形成刚度较大的内筒，以避免地震作用下结构产生过大的变形。短肢剪力墙结构计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中，只需按剪力墙输入即可，而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度，考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置．未知量少，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。而短肢剪力墙结构由于墙肢较短(一般为墙厚的5―8倍)，本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用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。 

　　对设有转换层的短肢剪力墙结构，框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力结构宜优先采用墙元模型软件（如SATWE)进行计算。 

　　参考文献： 

　　[1]贾春伟，艾冬娜 议建筑短肢剪力墙与异形柱结构的设计分析―黑龙江科技信息2008 (35) 

　　[2]董伟 浅谈异形柱与短肢剪力墙的结构设计―中国高新技术企业2010 (12) 

　　[3]蔡惠娇 高层住宅异形柱结构与短肢剪力墙的设计探讨―广州建筑2004 (5)