異形柱與短肢剪力墻結構設計中的幾個問題

異形柱與短肢剪力墻結構設計中的幾個問題肖常安1，諶維義2(1.貴州工業(yè)大學土建學院550003；2.貴陽市建一公司一處550002)摘要：對異形柱與短肢剪力墻結構設計中的一些問題，如計算方法、異形柱受力性能及其軸壓比控制、短肢剪力墻結構中轉換層的設置高度及框支柱等進行探討，提出建議，供結構設計人員參考。關鍵詞：異形柱；短肢剪力墻；結構設計中圖分類號：TU398.1；TU973.23文獻標識碼：A現(xiàn)代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內不出現(xiàn)柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結構能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應用。目前，現(xiàn)行國家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關異形柱與短肢剪力墻結構設計的條款，因此，結構設計人員在設計中常會遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題，需要設計人員積累經(jīng)驗，利用正確的概念進行設計。本文旨在對異形柱與短肢剪力墻結構設計中的一些問題進行探討，提出個人看法，供結構設計人員參考。1異形柱結構型式及其計算異形柱結構型式有異形柱框架結構、異形柱框架—剪力墻結構和異形柱框架—核心筒結構。異形柱結構自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結構不同。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產(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力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計算時不應將異形柱按剪力墻建模計算。當采用不具有異形柱單元的空間分析程序（如TBSA5.0）計算異形柱結構時，可按薄壁桿件模型進行內力分析。對異形柱框架結構，一般宜按剛度等效折算成普通框架進行內力與位移分析。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1.10-1.30之間［1］。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。對有剪力墻（或核心筒）的異形柱結構，由于異形柱分擔的水平剪力很小，由此產(chǎn)生的翹曲應力基本可以忽略，為簡化計算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架—剪力墻（或核心筒）結構進行內力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計算更為簡便。但應注意，按面積等效計算時，須同時滿足下面兩式：-----------------(1)A矩=A異；(2)|b/h=(Ix異／Iy異)式中，A矩、A異——分別為矩形柱和異形柱的截面面積；b、h——分別為矩形截面的寬和高；得I兄x舒異棋化、什I利y頭異筆—除—牙分別為異形柱蒼截妄面岸x涂、縱y絲向的主形心慣材性矩弱。攤背一般，按面積繁等效計算時，怠矩形柱的慣性春矩比異形柱的屠小。但對有剪狼力墻（或核心雁筒）的異形柱隱結構，計算分把析表明［占2喝］，按面積等腦效與按剛度等蓄效的計算結果制是接近的裹。崇樸異形柱的截面松設計，可根據(jù)督上述方法得出謝的內力，采用應適合異形柱截景面受力特性的傷截面計算方法它進行配筋計算倚。恒醬2柴植短肢剪力墻結撥構及其計以算堂責短肢剪力墻結腎構是適應建筑塊要求而形成的行特殊的剪力墻睛結構。其計算替模型、配筋方駱式和構造要求續(xù)均同于普通剪襲力墻結構。在師TA聲T騾、娃TBS懶A不中，只需按剪培力墻輸入即可挽，而佛且枕TA刑T貝、枕TBS波A弄更適合用來計濱算短肢剪力墻缸結構嚷。窄TA吵T揮、步TBS繞A治所用的計算模蹈型都是桿件、瑞薄壁桿件模型剩，其中梁、柱愉為普通空間桿品件，每端有６循個自由度，墻日視為薄壁桿件莊，每端有７個駛自由度（多一畝個截面翹曲角逮，即扭轉角沿敞縱軸的導數(shù)）竹，考慮了墻單蔬元非平面變形室的影響，按矩覽陣位移法由單炒元剛度矩陣形塘成總剛度矩陣宵，引入樓板平格面內剛度無限致大假定減少部機分未知量之后向求解，它適用份于各種平面布勸置，未知量少料，精度較高。菌但是，薄壁桿跑件模型在分析蓋剪力墻較為低論寬、結構布置衡復雜（如有轉煤換層）時，也子存在一些不足外，主要是薄壁侵桿件理論沒有閥考慮剪切變形貸的影響，當結失構布置復雜時細變形不協(xié)調。舞而短肢剪力墻鍬結構由于肢長籠較短（一般為自墻厚的律５捐-含８倍），本身說較高細，更接交近于桿件性能喇，所以，閘用城TA弦T達、熱TBS獨A鉤計算短肢剪力例墻結構能較好妨地反映結構的籮受力，精度較截高漁。囑敗對設有轉換層續(xù)的短肢剪力墻跌結構，一般都效只是將電梯間萌、樓梯間、核他心筒和一少部封分剪力墻落地均，其于剪力墻澆框支?？蛑Ъ羧κ鞘芰γ鎸傧蚴芰c過渡玩，由于薄壁桿熔件的連接處是痰點連接，所以元用薄壁桿件模巴型不能很好地戴處理位移的連盜續(xù)和力的正確倒傳遞。因此，李帶有轉換層的務短肢剪力墻結鉤構宜優(yōu)先采用惜墻元模型軟件外（如柜SATW臨E駝）進行計算。霧當然，從整體椅上的內力（特網(wǎng)別是下部支承群柱的內力）分賀布情況來看，梳如果將剪力墻引加以適當?shù)奶幐?，還是可以慢用奔TA核T針、咸TBS冠A智對結構進行整丟體計算的泡［詳3藝］羊。劣唯3挖鹽異形柱的受力丙性能及其軸壓你比控青制去待鏟天津大學的試爸驗研究結果表托明［待4榴］：異形柱的汪延性比普通矩恩形柱的差。軸庭壓比、高長比裙（即柱凈高與駁截面肢長之比唱）是影響異形被柱破壞形態(tài)及宵延性的兩個重拆要因素萌。移抖異形柱由于多闖肢的存在，其恐剪力中心與截卸面形心往往不誓重合，在受力啞狀態(tài)下，各肢阿產(chǎn)生翹曲正應向力和剪應力。柴由于剪應力，圾使柱肢混凝土贏先于普通矩形遲柱出現(xiàn)裂縫，桶即產(chǎn)生腹剪裂朝縫，導致異形事柱脆性明顯，練使異形柱的變耗形能力比普通倦矩形柱降低。旋租作為異形柱延涉性的保證措施辱，必須嚴格控拍制軸壓比，同好時避免高長比杯小于４（短柱鈔）?？刂浦刂蚊孑S壓比的目討的，在于要求飯柱應具有足夠圣大的截面尺寸疾，以防止出現(xiàn)巷小偏壓破壞，蘇提高柱的變形俊能力，滿足抗彈震要求。廣東班《規(guī)程》按建惕筑抗震設計規(guī)碑范（黃GBJ1璃1陪—收8草9胖）中所規(guī)定的士柱子軸壓比降偉低周0.0們5屈取用（按截面濕的實際面積計海算）；天津《顛規(guī)程》則根據(jù)瘦箍筋間距與主確筋直徑之比、耐箍筋直徑及抗赴震等級共同確孩定，其要求比臺廣東《規(guī)程》血嚴格，例如，怠對痰s/任d王＝５、４（即粥箍筋間漠距廟s譯＝位100mm源，縱筋直船徑喝d零分別為瓦20mm夠、育25mm對的情況），箍巨筋直鄙徑抹d俗v僅＝妙8mm余，抗震等級為社三級稼的洋L疏形截面，其軸總壓比限值分別塔為流0.6溝0費，廊0.6船5脊。異形柱是從石短肢剪力墻向玩矩形柱過渡的咱一種構件，柱所肢截面的肢厚坦比（即肢長／浸肢寬）不大于終４?！陡咭?guī)》府（蘿JGJ朽3秩—膽9蔥1現(xiàn)）第克樂條割，祥“漠抗震設計時，冷小墻肢的截面爛高度不宜小李于林3b招w床”笨，題“梳一、二級剪力評墻的小墻肢，怖其軸壓比不宜膊大于嘩0.覺6食”籠。根據(jù)上述分壟析，為便于應芒用，建議在６崇度設防區(qū)，對戴于異形柱框架廢結構抵，渡L信形截面柱的軸膠壓比不應超泛過答0.繪6咱（按截面的實威際面積計算，蔬下同）輔，蟻T走形截面柱的的位軸壓比不應超劣過殖0.6寬5鉛，十字形截面?zhèn)冎妮S壓比不忌應超方過敢0.蘇8安；對于異形柱婚框溜架拍—枕剪力墻（或核踐心筒）結構，菜由于框架是第介二道抗震防線恨，所以框架柱嚇的軸壓比限值奴可放寬穿到陵0.6開5攀（精L稈形）子、口0.7草0姜（喚T探形）命、禁0.9強0怨（＋字形），見但對于轉換層朵下的支承柱，吩其軸壓比仍不朽應超獅過碑0.6盆0施。徐柔短柱在壓剪作篇用下往往發(fā)生掠脆性的剪切破蹈壞，設計中應制盡量避免出現(xiàn)即短柱。根據(jù)高零長比不宜小于鞠４，在梁高為鐘600mm腔的前提下，當享標準層層高為昏3.0m變時，異形柱的貞最大肢長可為歇600mm銳；底層層高為層4.2m潮時，肢長可為壩900mm雙。晶番4譽理短肢剪力墻結攏構中轉換層的柔設置高度及框恒支莖柱咬假在現(xiàn)代高層住吵宅的地下室和戶下部幾層，由丘于停車和商業(yè)胳用房需較大空蕉間，就得通過役轉換層來實現(xiàn)椅。在短肢剪力浙墻結構中，一頌般都只將電梯皮間、樓梯間、雙核心筒和一少祝部分剪力墻落禁地，其于剪力忙墻框支。喉牛據(jù)研究表明［圈5見］缸，葬“宿框支剪力墻結乘構當轉換層位戚置較高時，轉富換層附近層間村位移角及內力醒分布急劇突變嫩，內力的傳遞霸僅靠轉換層一扔層樓板的間接民傳力途徑很難禿實現(xiàn)；轉換層榴下部錄的促‘殖框來支悠’郊結構易于開裂嫌和屈服，轉換菠層上部幾層墻待體易于破壞。遮這種結構體系胸不利于抗震。升高烈度區(qū)（９僵度及９度以上輛）不應采用；娛８度區(qū)可以采歌用，但應限制毒轉換層設置高擾度，可考慮不桑宜超過３層；棗７度區(qū)可適當甘放寬限制衫。錄”壺因此，建議在軟６度抗震設防般區(qū)，短肢剪力洋墻結構中轉換控層設置高度不置宜超過５層，灶避免高位轉換阻。轉換層上下楚的層剛度旅比鼠γ樣宜接近１，不易宜超過２。轉合換層位置較高秘時，宜同時控吩制轉換層下股部征“壘框那支各”忙結構的等效剛兇度（即考慮彎面曲剪切和軸向堤變形的綜合剛悅度），循使判EgJ使g餐與濫EcJ喉c巾接近塘。蝶EgJ鼓g潛為剪力墻結構棕的等效剛度，灶剪力墻結構高嗚度取框支層的戚總高度，其平討面和層高與轉堡換層上部的剪叫力墻結構相同限；臨EcJ直c商為轉換層下偏部桃“燭框堅支鑒”孤結構的等效剛畝度。研究表明活［羽5逐］拖，薪“機控制轉換層下壁部泥‘繼框猜支驢’斗結構的等效剛蘿度對于減少轉群換層附近的層枝間位移角和內灣力突變是十水分必要的，效俱果也很顯著姓。候”茶覺規(guī)范對框支柱釀的內力、軸壓雹比、配筋等的撤要求都嚴于普肯通柱?？蛑Ъ舢惲Y構當轉密換層位置較高安時，如何定義憑框支柱，涉及勉到安全與經(jīng)濟均的問題。根據(jù)搶圣維南原理，挪局部處理的影探響只限于局部紹范圍，所以當華轉換層位置較要高（如高位轉議換）時，除轉別換層附近樓層公的內力較復雜芹外，下面的結茫構受到的影響摧很小，應與普懶通框架結構基方本一樣，不必農按框支柱處理址。文獻［６］位計算了兩個喉2房8壁層的結構，一凍為內筒外框架粒結構，一為內韻筒外框支結構團，轉換層設醋在杯1辜8普層。計算結果臘表明，轉換層栗下二層的內力腐影響很大，下叢三層的內力誤農差最大屠為均15桶%罪，下五層的內消力已比較接近蹦（最大誤差小渾于箏10濃%雙）描,控下八層的內力督已基本一樣（纖最大誤差小脫于次5飛%刺）。這說執(zhí)明框支柱只需戰(zhàn)在五層范圍內雀加以考慮，其鏡它層的柱子按型普通框架柱處當理即可。因此班，建議當轉換叫層位置不超過先五層時，轉換躁層下的各層柱賺均按框支柱處殖理；當轉換層記位置超過五層縫時，轉換層下夾相鄰的五層柱辜按框支柱處理汗，而其它層的棒柱按普通框架使柱處理。由于村高位轉換對抗罷震不利，所以鍛結構設計中應簡盡量避免高位授轉換別。莊昏5安動短肢剪力墻結溫構的抗震薄弱作環(huán)節(jié)及概念設拆計逼辱振動臺模擬地蘋震試驗結果表愉明［旁7管］，建筑平面復外邊緣及角點煩處的墻肢、底燈部外圍的小墻兇肢、連梁等是郊短肢剪力墻結抗構的抗震薄弱寸環(huán)節(jié)。當有扭漏轉效應，建筑棉平面外邊緣及攀角點處的墻肢冶會首先開裂；貨在地震作用下血，高層短肢剪飽力墻結構將以身整體彎曲變形榴為主，底部外暫圍的小墻肢，籮截面面積小且主承受較大的豎濕向荷載，破壞殊嚴重，尤襯其螞“擾一飼”詞字形小墻肢破共壞最嚴重；在駁短肢剪力墻結曠構中，由于墻秧肢剛度相對減臨小，使連梁受追剪破壞的可能掛性增加。因此冒，在短肢剪力媽墻結構設計中糖，對這些薄弱墊環(huán)節(jié)，更應加恭強概念設計和傲抗震構造措施皂。例如，短肢獵剪力墻在平面沉上分布要力求窄均勻，使其剛孔度中心和建筑宰物質心盡量接益近，以減小扭錯轉效應；適當蓮增加建筑平面占外邊緣及角點鳴處的墻肢厚度觀（宜取喝250mm畫，對底部外圍葉的小墻肢根據(jù)閘需要可取用梯300mm頌），加強墻肢膠端部的暗柱配航筋，嚴格控制擾墻肢截面的軸罰壓比不超癢過芬0.墊6六，以提高墻肢慧的承載力和延夫性；高層結構爪中連梁是一個融耗能構件，連事梁的剪切破壞系會使結構的延鐮性降低，對抗領震不利，設計政時應注意對連摔梁進鷹行加“討強剪弱褲彎刃”狹的驗算，保證敵連梁的受彎屈幣服先于剪切破哄壞；短肢剪力引墻宜在兩個方施向均有梁與之拼拉結，連梁宜樹布置在各肢的庭平面內，避免旨采拐用偏“捎一室”野字形墻肢；短競肢剪力墻底部冶加強部位的配斯筋應符合規(guī)范似要求；等律。扇參考文獻：裂［１］戴教芳腥．多層框架異伙形柱設計探索煤［梯J里］獲.巷工業(yè)建財筑桂,1996,蕩26(1):趨33-35.孕障［２］龍衛(wèi)國忍．異形柱受力努性能及結構設普計有關問題探畏討［墳J雙］．四川建筑納，智2000,2符0(2):5爛0-52.執(zhí)［３］趙玉祥檔．鋼筋混凝土察高層建筑設計貸中若干問題的喂探討［好J較］．建筑結構伴學安報課.199賺8焰，不19(2):轟12-22.溜晉［４］趙艷靜值等．鋼筋混凝控土異形截面雙腐向壓彎柱延性浸性能的理論研兵究［勝J尺］．建筑結讓構助.1999,覺29(1):怕16-21.湖距［５］徐培福尤等．轉換層設拍置高度對框支悼剪力墻結構抗刷震性能的影響嫁［排J說］．建筑結咸構毯.2000,續(xù)30(1):塘38-42.倒付［６］肖文韜飼等．高層建筑緞結構計算模型婦的選?。谖蹇瘜萌珖邔咏☉阎拐鸺夹g交雙流會論文集［服S寨］臉.霧桐廬拋，豬1995.1配1初．溪滾［７］程紹革飼等．高層建筑內短肢剪力墻結蹦構振動臺試驗挎研究［著J粉］．建筑科特學風.2000,醫(yī)16(1):濾12-16.侍魄SomeP談roblem擾sint乓heStr閘uctura址lDesi均gnof扇Specia泡l-Shap赤ed最Column勞andS剖hortS腹hearin儲gWall梨沉XIAOC襲hang-a伶n1,CHE淘NWei-是yi2定(懂1.Scho件olof誕Civil汗Engine挑ering該&Ar