結構工程師輔導：短肢剪力墻和異形柱的區(qū)別

　　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(zhuǎn)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。

　　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(nèi)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TBSA 5.0)計算異形柱結構時，可按薄壁桿件模型進行內(nèi)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(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1.10-1.30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(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)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，按面積等效計算時，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對有剪力墻(或核心筒)的異形柱結構，計算分析表明[2]，按面積等效與按剛度等效的計算結果是接近的。

　　異形柱的截面設計，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算方法進行配筋計算。

　　2、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均同于普通剪力墻結構。在TAT、TBSA中，只需按剪力墻輸入即可，而且TAT、TBSA更適合用來計算短肢剪力墻結構。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響，按矩陣位移法由單元剛度矩陣形成總剛度矩陣，引入樓板平面內(nèi)剛度無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、結構布置復雜(如有轉(zhuǎn)換層)時，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響，當結構布置復雜時變形不協(xié)調(diào)。而短肢剪力墻結構由于肢長較短(一般為墻厚的5-8倍)，本身較高細，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計算短肢剪力墻結構能較好地反映結構的受力，精度較高。

　　對設有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結構，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過渡，由于薄壁桿件的連接處是點連接，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構宜優(yōu)先采用墻元模型軟件(如SATWE)進行計算。當然，從整體上的內(nèi)力(特別是下部支承柱的內(nèi)力)分布情況來看，如果將剪力墻加以適當?shù)奶幚?，還是可以用TAT、TBSA對結構進行整體計算的[3]。

　　3、異形柱的受力性能及其軸壓比控制

　　天津大學的試驗研究結果表明[4]：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長比(即柱凈高與截面肢長之比)是影響異4 短肢剪力墻結構中轉(zhuǎn)換層的設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，就得通過轉(zhuǎn)換層來實現(xiàn)。在短肢剪力墻結構中，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]，“框支剪力墻結構當轉(zhuǎn)換層位置較高時，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現(xiàn);轉(zhuǎn)換層下部的‘框支’結構易于開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結構體系不利于抗震。高烈度區(qū)(9度及9度以上)不應采用;8度區(qū)可以采用，但應限制轉(zhuǎn)換層設置高度，可考慮不宜超過3層;7度區(qū)可適當放寬限制?！币虼耍ㄗh在6度抗震設防區(qū)，短肢剪力墻結構中轉(zhuǎn)換層設置高度不宜超過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2.轉(zhuǎn)換層位置較高時，宜同時控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結構的等效剛度(即考慮彎曲剪切和軸向變形的綜合剛度)，使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結構的等效剛度，剪力墻結構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構相同;EcJc為轉(zhuǎn)換層下部“框支”結構的等效剛度。研究表明[5]，“控制轉(zhuǎn)換層下部‘框支’結構的等效剛度對于減少轉(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。”

　　規(guī)范對框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴于普通柱?？蛑Ъ袅Y構當轉(zhuǎn)換層位置較高時，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟的問題。根據(jù)圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當轉(zhuǎn)換層位置較高(如高位轉(zhuǎn)換)時，除轉(zhuǎn)換層附近樓層的內(nèi)力較復雜外，下面的結構受到的影響很小，應與普通框架結構基本一樣，不必按框支柱處理。文獻[6]計算了兩個28層的結構，一為內(nèi)筒外框架結構，一為內(nèi)筒外框支結構，轉(zhuǎn)換層設在18層。計算結果表明，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，建議當轉(zhuǎn)換層位置不超過五層時，轉(zhuǎn)換層下的各層柱均按框支柱處理;當轉(zhuǎn)換層位置超過五層時，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)換對抗震不利，所以結構設計中應盡量避免高位轉(zhuǎn)換。

　　5 短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設計振動臺模擬地震試驗結果表明[7]，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當有扭轉(zhuǎn)效應，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂;在地震作用下，高層短肢剪力墻結構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，破壞嚴重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴重;在短肢剪力墻結構中，由于墻肢剛度相對減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結構設計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)，更應加強概念設計和抗震構造措施。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;適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度(宜取250mm，對底部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm)，加強墻肢端部的暗柱配筋，嚴格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6，以提高墻肢的承載力和延性;高層結構中連梁是一個耗能構件，連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;短肢剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結，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部位的配筋應符合規(guī)范要求等。