異型柱、短肢剪力墻結構的設計

1、.異型柱、短肢剪力墻結構的設計建設行業(yè)專版施工技術異型柱,短肢剪力墻結構的設計異型柱,短肢剪力墻結構由于其在建筑使用方面的諸多優(yōu)點,已在工程中普遍使用.但就結構設計來講,由于研究不夠充分,標準和規(guī)定也存在諸多爭議,設計中存在一定的混亂.為此,本文根據(jù)自己的設計經(jīng)驗對這兩種結構的受力特點,結構分析及構造要求進行闡述.一,異形柱結構1.異形柱結構定義所謂異形柱是相對于矩形柱而言的,規(guī)定柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4范圍的類似剪力墻的結構.常用的有"T"字型,"L"型,"十"宇型等.2.異形柱結構特點相對于矩形柱而言,異形柱墻肢平面

2、內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大,導致各向剛度不一致,其各向承載能力也有較大差異:對于長異形柱(H/h>4),控制軸壓比較小時,受力明確,變形能力較好.而對短柱(H/h<4),構件變形能力下降.異形柱由于是多肢的,其剪切中心往往在平面范圍之外,受力時要靠各柱肢交點處核,biIl凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力,這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當大的翹曲應力和剪應力,而該剪應力的存在,使柱肢易先出現(xiàn)裂縫,也使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài),它使得異形柱較普通截面柱變形能力低,脆性破壞明顯;異形柱存在著單純翼緣柱肢受壓的情況,其延性更差.3,異形柱結構的計算由于異形柱截面不對稱,在水平力

3、作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視.因此,對異形柱結構應按空間體系考慮,宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序進行內(nèi)力與位移分析.另外一種計算方法就是將異型柱按剛度等效折算成普通框架進行內(nèi)力與位移分析.當剛度相等時,矩形柱比異形柱的截面面積大.一般比值(A矩/A異)約在1.20-1.50之間.因此用矩形柱替換后計算出的軸壓比數(shù)值不能直接應用于異形柱,建議用比值(A矩/A異)對軸壓比計算值加以放大后再用于異形柱.異形柱的截面設計可根據(jù)算得的內(nèi)力,采用適合異形柱截面受力特性的截面計算方法進行配筋計算.4.異形柱的受力性能及其軸壓比控制廣東規(guī)程按建筑抗震設計規(guī)范(GBJ1189)中所規(guī)定

4、的柱子軸壓比降低OO5取用(按截面的實際面積計算);天津規(guī)程則根據(jù)箍筋間距與主筋直徑之比,箍筋直徑及抗震等級共同確定,其要求比廣東規(guī)程嚴格.異形柱是從短肢剪力墻向矩形柱過渡的一種構件,柱肢截面的肢厚比(即肢長/肢寬)不大于4.高規(guī)(JGJ391)第5.34條規(guī)定,"抗震設計時,小墻肢的截面高度不宜小于3bw","一,二級剪力墻的小墻肢,其軸壓比不宜大于O.6".根據(jù)上述分析,對于異形柱框架結構.L形截面柱的軸壓比不應超過O6(按截面的實際面積計算,下同),T形截面柱的的軸壓比不應超過O.65,十字形截面柱的軸壓比不應超過O.8.但對于轉(zhuǎn)換層下的支承柱,其

5、軸壓比仍不應超過O.6O.5.異形柱結構配筋構造由于異形柱不僅受軸向力作用,而且受一定的彎矩,表現(xiàn)出一定的矩形柱的受口李艷春趙群昌l業(yè)界力特性,因此主受力鋼筋應配在異形柱的角害B.二,短肢剪力墻結構1.短肢剪力墻的定義現(xiàn)行高層建筑混凝土結構技術規(guī)程(JGJ3-2002)的定義是:短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比(肢高厚比)為5到8的剪力墻.2.短肢剪力墻的優(yōu)點與普通的剪力墻相比,短肢剪力墻門窗洞口更大,可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風要求,增加使用面積,布置靈活.這種結構體系通常都是利用中部的豎向交通區(qū)設置較多的剪力墻,組成一個較為完整的或基本完整的筒體.也可以將由豎向交通區(qū)所構成的混凝

6、土筒設置在結構外邊,而靠中間的樓梯間可用混凝土剪力墻構成一個相對完整的半開放的簡體.這一部分的結構布置與建筑平面的劃分較容易達成一致,易于實現(xiàn).3.短肢剪力墻結構及其計算短肢剪力墻結構是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構.其計算模型,配筋方式和構造要求與普通剪力墻結構類似.在TAT,TBSA中可按剪力墻輸入.TAT,TBSA所用的計算模型都是桿件,薄壁桿件模型,其中梁,柱為普通空間桿件,每端有6個自由度,墻視為薄壁桿件,每端有7個自由度(多一個截面翹曲角,即扭轉(zhuǎn)角沿縱軸的導數(shù)),考慮了墻單元非平面變形的影向.但是,薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬,結構布置復雜(如有轉(zhuǎn)換層)時,存在較多的問題

7、,如:薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響,當結構布置復雜時廣東科技20065總第153期業(yè)界It設恬業(yè)專版施工技術變形不協(xié)調(diào):墻肢間的不同受力僅采用截面翹曲角反映,計算的精度難以保證.現(xiàn)在逐漸的被墻元模型取代.如ETABS,SE,TUS等4.短肢剪力墻配筋構造短肢剪力墻介于異形柱與普通剪力墻之間,以軸向力為主,彎矩為輔.從柱子來講其主受力鋼筋應安排在柱的角部,從剪力墻來說,也應加強邊緣構件的配筋.但如按剪力墻的邊緣構配筋方法,由于短肢剪力墻墻肢短,可能會出現(xiàn)全截面均配鋼筋,這對短肢剪力墻的受力并不是最佳,因此建議墻肢角部筋配在0.2L(L為墻肢長)墻肢范圍內(nèi).三,關于異形柱,短肢剪力墻結構設計

8、的思考1.異形柱,短肢剪力墻及普通剪力墻抗震能力分析筆者認為結構地震設計的核心有三點:一是結構變形的控制:二是變形能力的加強;三是次要構件允許先破壞.(1)在小,中地震的作用下,結構部產(chǎn)生的變形控制在一定的范圍內(nèi),結構的變形小,也即結構的受力小,從而保證結構不破壞或少破壞:(2)保證結構的變形能力.變形能有兩種作用,一是吸收地震能量,使大的地震能量不產(chǎn)生繼續(xù)的累積,二是保證大震不倒塌的關鍵.從定性的角度來講,在軸壓比相當?shù)那闆r下,異形柱的變形能力一定要比普通剪力墻結構強得多,因為從形狀上看,普通剪力墻就是一個肢更長的異形柱,比異形柱更異型的柱.只要對異形柱的軸壓比,配筋和位移加以適當?shù)募s束,即

9、達到與普通剪力墻相當?shù)某潭?那么異形柱的抗震性能應優(yōu)于普通剪力墻結構.從構件的直觀感覺來講,異形柱,短肢剪力墻和普通剪力屬于同意性質(zhì)的構件,短肢剪力墻比異形柱的墻肢更長,而普通剪力比短肢剪力墻的肢更長.從異形柱,短肢剪力墻到普通剪力墻結構墻肢是逐漸變化的,是一個連續(xù)的過程,結構的受力不會產(chǎn)生突變.目前,在抗震設防烈度為7度及其以廠樂科技20065總第153期下的地區(qū)適用范圍大至如下:(1)異形柱框架結構可用在七層以下的住宅中(2)短肢剪力墻結構適用于七層二十層左右的住宅,尤其是十一,十二層小高層住宅.(3)剪力墻結構體系是傳統(tǒng)高層住宅中常用的結構體系,一般用于十八層以上的住宅建筑不同的結構構件

10、應用于不同的結構高度,這是自然形成的.如異形柱不會用于高層結構一樣,但不同構件的名稱定義卻是認為劃分的.筆者認為在異形柱控制了軸壓比以后,雖然三者受力有其各自的特點,但三者有很多的共性,三者應為為同一性質(zhì)的構件,僅存在構件尺寸的差別,并無質(zhì)的分別.墻提高一級,相應的暗柱構造配筋率增大一倍:(2)為了滿足長墻承擔的傾覆彎矩大于50%要求,短肢墻的數(shù)量大大減少,其最終的結構形式倒像是一般剪力墻結構中設置了部分的短墻肢.因此,與其作二級抗震的短肢墻,還不如做三級抗震的一般剪力墻,兩者墻肢的長度也就2030CM的差距.這對于建筑的經(jīng)濟,IWzgn結構技術的提高都是無益的.另外,規(guī)范要求異型柱肢不能太長

11、(控制短柱),而對短肢剪力墻則要求肢不能太短,也是一對難以解釋的矛盾要求.筆者認為在限制了異形柱的軸壓比的情況下,異形柱可看作超短肢剪力墻,在異形柱結構中可以有短肢剪力墻出現(xiàn),表1異形柱,短肢剪力墻和普通剪力墻受力比較抗震短肢抗震普通抗震類型異形柱能力剪力墻能力剪力墻能力軸壓比相當相當相當相當相當相當彎矩大小由由小大變形能力大大由由小小從表1可以看出,異形柱,短肢剪力墻到普通剪力墻結構墻肢是逐漸變化的,是一個連續(xù)的過程.結構的受力不會產(chǎn)生突變,人為的割裂也許是個錯誤.2.目前設計中的矛盾與困惑目前,國家規(guī)范對于異形柱結構沒有相應的規(guī)定,有的地方規(guī)范要求異形柱結構只能用在七層及七層以下的住宅中,在設計中設計人員為了滿足這條要求,有時就要增加整層的混凝土等級或增加柱根數(shù),造成比必要的浪費."高規(guī)"短肢墻的抗震等級比一般剪力墻提高一級,并且短肢墻配筋也比一般剪力墻提高很多.按照新"高規(guī)"的要求,目前12層左右的結構做短肢墻已經(jīng)沒有經(jīng)濟性可言了,理由如下(1)短肢墻的抗震等級比一般剪力就象短肢剪力墻中可以出現(xiàn)普通剪力墻結構墻一樣,