結(jié)構(gòu)工程師輔導(dǎo)：短肢剪力墻和異形柱的區(qū)別

　　摘要：對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題，如計(jì)算方法、異形柱受力性能及其軸壓比控制、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱等進(jìn)行探討，提出建議，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

　　目前，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關(guān)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條款，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　本文旨在對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題進(jìn)行探討，提出個(gè)人看法，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

　　1、異形柱結(jié)構(gòu)型式及其計(jì)算異形柱結(jié)構(gòu)型式有異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架―剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架―核心筒結(jié)構(gòu)。

　　異形柱結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結(jié)構(gòu)不同。由于異形柱截面不對(duì)稱，在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來(lái)的影響不容忽視。因此，對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計(jì)算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計(jì)算時(shí)不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模計(jì)算。

　　當(dāng)采用不具有異形柱單元的空間分析程序(如TBSA 5.0)計(jì)算異形柱結(jié)構(gòu)時(shí)，可按薄壁桿件模型進(jìn)行內(nèi)力分析。

　　對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)，一般宜按剛度等效折算成普通框架進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。當(dāng)剛度相等時(shí)，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(jì)算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱，建議用比值(A矩/A異)對(duì)軸壓比計(jì)算值加以放大后再用于異形柱。

　　對(duì)有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu)，由于異形柱分擔(dān)的水平剪力很小，由此產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力基本可以忽略，為簡(jiǎn)化計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)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(jì)算更為簡(jiǎn)便。但應(yīng)注意，按面積等效計(jì)算時(shí)，須同時(shí)滿足下面兩式：(1)A矩=A異;(2)b/h=(Ix異/Iy異)1/2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;

　　Ix異 、Iy異――分別為異形柱截面x、y向的主形心慣性矩。

　　一般，按面積等效計(jì)算時(shí)，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對(duì)有剪力墻(或核心筒)的異形柱結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計(jì)算結(jié)果是接近的。

　　異形柱的截面設(shè)計(jì)，可根據(jù)上述方法得出的內(nèi)力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計(jì)算方法進(jìn)行配筋計(jì)算。

　　2、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)及其計(jì)算

　　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。其計(jì)算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。在TAT、TBSA中，只需按剪力墻輸入即可，而且TAT、TBSA更適合用來(lái)計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。TAT、TBSA所用的計(jì)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(gè)自由度，墻視為薄壁桿件，每端有7個(gè)自由度(多一個(gè)截面翹曲角，即扭轉(zhuǎn)角沿縱軸的導(dǎo)數(shù))，考慮了墻單元非平面變形的影響，按矩陣位移法由單元?jiǎng)偠染仃囆纬煽倓偠染仃?，引入樓板平面?nèi)剛度無(wú)限大假定減少部分未知量之后求解，它適用于各種平面布置，未知量少，精度較高。但是，薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜(如有轉(zhuǎn)換層)時(shí)，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒(méi)有考慮剪切變形的影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時(shí)變形不協(xié)調(diào)。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于肢長(zhǎng)較短(一般為墻厚的5-8倍)，本身較高細(xì)，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地反映結(jié)構(gòu)的受力，精度較高。

　　對(duì)設(shè)有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，一般都只是將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支?？蛑Ъ袅κ鞘芰γ嫦蚴芰c(diǎn)過(guò)渡，由于薄壁桿件的連接處是點(diǎn)連接，所以用薄壁桿件模型不能很好地處理位移的連續(xù)和力的正確傳遞。因此，帶有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用墻元模型軟件(如SATWE)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然，從整體上的內(nèi)力(特別是下部支承柱的內(nèi)力)分布情況來(lái)看，如果將剪力墻加以適當(dāng)?shù)奶幚恚€是可以用TAT、TBSA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算的[3]。

　　3、異形柱的受力性能及其軸壓比控制

　　天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明[4]：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比(即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比)是影響異4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業(yè)用房需較大空間，就得通過(guò)轉(zhuǎn)換層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。

　　據(jù)研究表明[5]，“框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變，內(nèi)力的傳遞僅靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實(shí)現(xiàn);轉(zhuǎn)換層下部的‘框支’結(jié)構(gòu)易于開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗震。高烈度區(qū)(9度及9度以上)不應(yīng)采用;8度區(qū)可以采用，但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度，可考慮不宜超過(guò)3層;7度區(qū)可適當(dāng)放寬限制?！币虼耍ㄗh在6度抗震設(shè)防區(qū)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜超過(guò)5層，避免高位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層上下的層剛度比γ宜接近1，不宜超過(guò)2.轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，宜同時(shí)控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度(即考慮彎曲剪切和軸向變形的綜合剛度)，使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)高度取框支層的總高度，其平面和層高與轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)相同;EcJc為轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度。研究表明[5]，“控制轉(zhuǎn)換層下部‘框支’結(jié)構(gòu)的等效剛度對(duì)于減少轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角和內(nèi)力突變是十分必要的，效果也很顯著?！?/P>

　　規(guī)范對(duì)框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題。根據(jù)圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高(如高位轉(zhuǎn)換)時(shí)，除轉(zhuǎn)換層附近樓層的內(nèi)力較復(fù)雜外，下面的結(jié)構(gòu)受到的影響很小，應(yīng)與普通框架結(jié)構(gòu)基本一樣，不必按框支柱處理。文獻(xiàn)[6]計(jì)算了兩個(gè)28層的結(jié)構(gòu)，一為內(nèi)筒外框架結(jié)構(gòu)，一為內(nèi)筒外框支結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)在18層。計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換層下二層的內(nèi)力影響很大，下三層的內(nèi)力誤差最大為15%，下五層的內(nèi)力已比較接近(最大誤差小于10%)，下八層的內(nèi)力已基本一樣(最大誤差小于5%)。這說(shuō)明框支柱只需在五層范圍內(nèi)加以考慮，其它層的柱子按普通框架柱處理即可。因此，建議當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置不超過(guò)五層時(shí)，轉(zhuǎn)換層下的各層柱均按框支柱處理;當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置超過(guò)五層時(shí)，轉(zhuǎn)換層下相鄰的五層柱按框支柱處理，而其它層的柱按普通框架柱處理。由于高位轉(zhuǎn)換對(duì)抗震不利，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換。

　　5 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明[7]，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂;在地震作用下，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷載，破壞嚴(yán)重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重;在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對(duì)減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。例如，短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng);適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度(宜取250mm，對(duì)底部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm)，加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋，嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比不超過(guò)0.6，以提高墻肢的承載力和延性;高層結(jié)構(gòu)中連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對(duì)抗震不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算，保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;短肢剪力墻宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié)，連梁宜布置在各肢的平面內(nèi)，避免采用“一”字形墻肢;短肢剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求等。