高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计探讨

郭东亮　马彦飞

随着住宅楼宇尤其是高层住宅的需求量的增加，外露梁和普通剪力墙的原有框架结构严重制约和分离了建筑空间，无法满足人们对住宅的空间要求，因此，在本有的剪力墙打下的基础之上，取其结构与框架的好处，逐渐的开发出了合适居民新住宅的理念高层住宅结构方式，即是“短肢剪力墙结构”与“异形柱框架结构”。此上的新型结构避免了普通构造之中的不足之处，取得了建造师一致好评，也受到了居民和开发商们的欢迎。以下将对以上提到的新型高层住宅的结构受力特征，结构分析与构造需求展开分析。

1　短肢剪力墙的构造分析

短肢剪力墙的构造需要截面的横截面低于300mm，墙肢长度是厚度的 5～8 倍，剪力墙的结构常用分为“T”字型，“十”型，L 字型，“一”字型，“折线”型与“Z”字型这样的结构型式特点有：

（1）与建筑平面图相结合，垂直构件采用隔墙的位置进行布置，这与建筑物的功能基本上没有冲突。

（2）根据侧向力的需要，壁的数量可以更多或更少，并且肢体的长度可以长或短，主要依据其抗侧力的需求进行改动，刚度中心的位置需要根据不一样的大小和布局来进行改动。

（3）可以灵活的布置，其方案相对来讲也比较多，同时方案也比较的简单易懂。

（4）连接处的大梁可根据墙肢的位子定于间隔墙的竖平面内，可隐藏。

（5）依据建筑物的抗侧刚度需求，运用中心点的剪力墙，将此构造成重要的抗侧力结构，可比较容易满足强度与刚度的需求。

对于短肢剪力的墙结构计算与设计，由于这是剪力墙进行大开口从而形成的，因此基本上和普通的剪力墙构造分析相似，可以运用空间杆-墙的组元分析法或者是三维杆-系簿壁柱的空间分析法，前一种方式如清华大学TUS或者是建研院TBSSAP、SATWE，广东省的建院SSW等等，后一种方式有广东的建筑设计院广厦的CAD的SS的模块亦或是建研院TAT和TBSA。而这当中的空间杆壁成分分析方法的计算模型更符合实际情况，准确度更高。虽然三维柱式壁桩的空间分析程序早期使用并有更广泛的应用，但对于带有较长壁墩的短肢剪力墙应采用空间杆壁构件程序进行校准。

经过以上分析得出，按照书籍《高层建筑结构设计和施工规范》对其构造和截面进行设计，与异形柱的结构相对比，短肢剪力墙的结构其理论和实践都比较成熟，但是，这类结构的设计依旧需要对以下一些方面重视：

（1）因为短肢剪力墙结构与普通剪力墙结构相比相对较小，因此其抗侧刚度相对较小。因此，应在设计中设置一定数量的长墙，或者应使用电梯和楼梯间形成相对刚性的内筒从而避免结构产生较大的变形，与此同时也形成两个抗震设防；

（2）短肢剪力墙构造其抗震弱点地方是建筑物外边角的墙肢。当存在扭转效应时，现有的翘曲变形会加剧，墙肢将首先开裂，因此应对墙体的抗震结构应加强。比如降低轴压比等措施，增加纵筋与箍筋的配筋率；

（3）在水平力作用下的高层短肢剪力墙的结构整体表现出弯曲变形，而底部周围的小墙肢受到较大的扭转剪力与垂直荷载，有的模型试验反映了外层墙肢进产生开裂，因此应增加周壁墙肢的配筋量与厚度，以增强小壁墙肢的延展性和抗震性能。短肢壁需要在两个方向上进行连接，以避免产生被孤立的“一”形墙肢；

（4）墙肢的分布应尽可能均匀，以使建筑物的刚度中心和形心应尽可能接近。如有必要，需使用长肢墙调节刚度中心；

（5）在高层的结构中，连梁是耗能部件。在短肢剪力墙的结构中，墙肢的刚度相对降低，连接各个墙肢的梁与普通的框架梁相似，这与一般的剪力墙连梁不同。在计算的总体信息中，不应该降低连梁的刚度，以减少设计的内力，应该按照普通的框架梁去就，对混凝土压区的高度进行控制，其中梁端负弯矩钢筋可根据塑性调幅的70～80%进行解决，按照强剪弱弯的原理，对强柱弱梁其延性需求展开计算。

2　异形柱的结构分析

异型柱结构指的是柱肢柱肢宽度和截面高度之比为2-4，它是相对于正方形和矩形柱的异形柱。其包含了异形柱框架与异形柱框架的剪力墙。最常使用的有“L”字型，“T”字型和“十”字型。这些结构其特点为：

（1）因为横截面的特殊性，平面内外墙肢的两个方向的刚度差异比较大，从而导致各个方向的刚度达不到不一致，各个方向的承载能力也产生较大的差异。

（2）针对长柱（H/h＞4）可不考虑到剪切变形产生的影响，控制轴压相对较小的时候，其受力较明确，变形性能也比较好。但是相对于短柱（H/h＜4），剪切变形则会占一定的比例，构件的变形能力也随之下降。异形柱一般在短柱的范围内，并且属于薄壁构造，即使产生了延性弯曲形的破坏，也会因为截面曲率M/EI或者εcu/χ（εcu是混凝土的极限压应变，χ是截面受压区高度）比较小，使得弯曲变形的性能有限，延性也比较差。

（3）由于异形柱是多肢的，它们的剪切中心倾向于超出平面范围，并且当施加受力时，它们必须依靠柱各柱肢交点处核心混凝土协调变形与内部力。此变形协调将使得各柱肢内都有相当大的剪应力与翘曲应力，并且此剪应力存在，会使得柱肢易极易产生裂缝，从而使各肢核心混凝土处于一个三向剪力的状态，进而使异形柱比较普通的截面柱变形能力下降，脆性破坏较明显。

（4）尤其是异形柱与矩形柱不同之处在于它具有单纯翼缘柱肢的受压情况，并且其延展性更差。根据国内外大量实验数据与理论进行分析，异形柱其破坏模式分为：弯曲破坏，压剪破坏与小偏压破坏等等。对破坏的形态产生影响的因素包括荷载角，剪跨比与轴压比。箍筋的比率，箍筋间距S和纵筋的长度D之比等等。因为受力性的复杂性质，设计必须要依靠可靠计算与必要结构的措施从而确保其强度与延展性。

在对异形柱结构进行设计的时候，除了要对高规中对的结构布置产生的要求进行满足外同时还应该注意以下几个方面问题：

（1）异形框架的计算

因为横截面特殊性，当水平力作用于柱截面的对称轴时，弹性分析计算出的翘曲应变力较小。此时，偏压构建承受了水平力，它仍然可以被看作是平面截面假设分析，按照混凝土设计进行规范的计算，尤其是框——筒，框——剪的构造中，框架柱仅承受6度及以下的I类和II类场地的水平风荷载的其中一小部分。按照一般的偏压柱进行计算的错误较少。在这种情况下，异形柱可以用刚度相同的矩形柱代替，然后通过程序进行分析。但是，如果水平力较大而水平力作用于非主轴方向，则翘曲应力将不可以被忽视。如果按照平截面假定存在较大误差，则应进行异型柱框架结构的有限元分析以确定内力和钢筋的位置和尺寸。在计算内力与计算配筋的时候，应选择具有异形柱计算的功能计算软件。有一些软件不存在异形柱的截面形式。假使要用于计算，首先必须将它们转换成具有相同刚度和其他区域的矩形柱，并且应该进行总体分析以获得异形截面设计之前的双向内力列。工作量是非常大的。而且截面设计的可靠性普遍不高。

（2）轴压比的控制

对于框架结构，框——剪的结构，柱的延性对耗散地震中产生的能量，阻止框架倒塌，有着相当重大的作用，并且轴压比同事影响着混凝土柱的延性。经过试验的结构分析得出，柱侧移的延性比根据轴压比值增高而急剧的下降。

根据高轴压比值的情况，对于提高柱延性，增加其箍筋的用量作用已经微乎其微，因此，轴向压缩比的控制对于异形柱的延展性有着非常大的影响，特别是异形柱的结构剪切力，剪切力的中心和剪切力的横截面中心彼此不重合，剪切应力使夯柱肢优先于普通的矩形压减组件显示裂缝并且发生腹部剪切破坏。另外，异型柱大多是短柱，这些都将直接导致了异形柱的脆性表现明显，使得异形柱延性大多比矩形柱低，因此对异形柱轴压比值需要进行严格的控制。

（3）配筋的构造

在正确结构选型和核算之后，截面内部的钢筋构造也将对异形柱的受力性能产生重大影响。因为异形柱的截面特征，柱肢的端部则会产生较大的应力，加之梁作用于柱肢上应力不均匀，通常情况下越靠近肢端的应力越大，对柱肢产生偏心压力，从而进一步的加大了肢端的压应力。因此在对异形柱进行配筋时，应该在肢端处设暗柱，暗柱外排的钢筋根据计算之后而定。离端部的厚度应该根据范围设2φ14的结构纵筋，箍筋同柱，即可以限制柱肢混凝土裂痕开展，增强异形柱的局部变形的能力和抗压抗剪的强度。柱的箍筋不但可抗剪，也可以约束混凝土的变形，增强了它的延展性。异形柱因为不容易变成多肢的复合箍，因此其配筋率将只能通过加大箍筋的直径与加密间距进行实现。在相同的配箍率下，箍筋的直径大，延性的指标越好，因此箍筋可用φ8、φ10，它的间距会比普通柱的箍筋间距窄。

3　小结

总而言之，短肢的剪力墙构造和异形柱的框架构造都具有巨大的市场需求。根据其应力特点，必须掌握其各种损伤机理，选择合适的结构，正确理解计算机分析和加固截面的配筋是确保结构可靠和安全施工的唯一途径。

[1]孔令仓.短肢剪力墙的构造布局与落地墙抗震性等能探究与分析[D].西安建筑科技大学，2014.

[2]罗政楠.RC异形柱框架——剪力墙结构在地震作用下的动力特性分析[D].西安建筑科技大学，2013.

[3]郝省玲.对L型的短肢剪力墙其抗剪性能的探究与分析[D].长安大学，2012.