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摘要：现代住宅建筑要求平面及房间布置灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等。异形柱与短肢剪力墙结构能较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。本文根据西宁市实际案例研究了高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力情况与抗震性能。
关键词：建筑；剪力墙；异形柱；框架
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
引言
随着人们对住宅空间和平面要求的提高，原来的框架结构由于对空间限制较为严格而逐步被淘汰。短肢剪力墙与异形柱结构是在原有剪力墙的基础上，通过吸收框架结构的优点逐步发展形成了一种新的建筑结构。这种结构形式在工程项目中很大程度上克服了普通框架结构和剪力墙结构中存在的缺点，受到建筑企业和建筑师的肯定和青睐。
一、异形柱抗震性能受力分析
1、案例分析
西宁市属于抗震设防高烈度区，对西宁市一小开间的住宅框架分别按矩形柱和异形柱结构进行设计和对比分析(图1)。该工程为6层,层高219m,抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第二组,混凝土强度等级为C40,构件尺寸见图1。
表1为二者的总体计算结果,在地震作用下,异形柱结构的底部剪力要比矩形柱结构大16%~26%左右,各异形柱结构的平均柱剪力和节点剪力也要比矩形柱结构大,由于层1底部嵌固,反弯点较高,所以最大节点剪力出现在层2,矩形柱结构最大节点剪力为780kN,异形柱结构最大节点剪力1037kN(L形柱),一般在850~1000kN之间。矩形柱节点截面受剪承载力为1078kN;异形柱节点的截面受剪承载力为:L形和剪力平行翼缘方向的T形为591kN,剪力平行腹板方向的T形为726kN,十字形为806kN。图2为地震作用下异形柱结构层2节点两个方向的地震剪力(括号外)和截面受剪承载力(括号内)的对比。
从以上计算结果可知,矩形柱结构的节点,截面限制条件均能满足要求,但底部2层的节点箍筋配筋已较大,按柱加密区箍筋的构造配筋量则部分节点不能满足要求,而异形柱结构底部3层大部分节点的截面限制条件已不能满足要求,最大相差40%。
从以上分析可以看出,在高烈度区控制异形柱结构高度的参数已不单单是轴压比,而主要是异形柱的节点强度,所以在高烈度区,异形柱框架的节点验算必须引起设计人员的足够重视。
2、解决方案
在抗震设防高烈度区的异形柱结构中,节点强度计算已很难满足规范要求,即使能勉强满足,节点配筋也很大,施工困难,一般可通过以下方法解决。
(1)降低结构适用高度,减小内力。以往各地规范对框架和框剪异形柱结构的高度规定各有不同,但从目前弹性计算的角度来说,都有些偏大,应有所降低。
(2)增加节点承载力。在满足柱剪跨比大于115的前提下用较大的肢长;提高混凝土强度等级,但使用大于C40的混凝土时,楼板和节点强度等级宜分开,否则楼板易开裂;在满足建筑功能的情况下增加肢厚。
(3)尽量使用框架剪力墙结构体系,减小框架节点剪力,而且从有关单位所做的两种体系的振动台试验来看,框剪结构的工作性能也要明显好于比它层数低的框架结构,所以在高烈度区推荐使用框架剪力墙结构体系。
3、地震作用方向对异形柱正截面承载力验算的影响
根据规范要求,当无斜向抗侧力构件时,矩形柱结构设计的地震作用方向取工程纵横轴方向,图1(a)取为0b和90b,一般来说,矩形柱正截面承载力按单偏压方法计算时,承载力完全可包络地震作用沿其它方向作用时的情况。对于异形柱,特别是L形柱,地震作用僅沿0b和90b计算的正截面配筋并不能包络沿其它方向作用时的情况,尤其是在高烈度区,柱截面需要计算配筋,这一问题更为突出。对图1(b)所示的工程,地震作用沿45b-135b方向作用时,L形柱配筋最大,可增加10%~25%左右(计算程序为SATWE)。分析认为,这主要是由不同方向上异形柱截面刚度和承载力差异引起的。
（1）不同地震作用方向时,异形柱刚度有差别一般来说,异形柱结构中T形,L形和十字形柱都同时存在,其中T形和L形柱在各个方向上的刚度是不同的,截面惯性矩近似地反映其刚度大小。由截面几何性质可知,对等肢T形柱,0b和90b是其截面形心主轴位置,惯性矩为其截面各方向上的最大值和最小值,而对等肢L形柱,45b和135b是其截面形心主轴方向,惯性矩为最大和最小值,因此在结构平面中(见图2),不同方向各个柱之间的刚度相对比例不同,所分配的地震作用也有较大差别,这一点不同于矩形柱结构。图1(a)中柱间刚度比在各个方向上的差别不大,不会造成地震作用的分配在不同方向上相差过大。当然,也应考虑不同方向上由于结构整体刚度的差别而造成的地震作用的差异,但影响一般比较小。图1(b)中,地震作用方向沿135b和沿90b相比,结构总地震剪力降低912%,但L形柱Z1的剪力却增加54%,弯矩也相应增加,此方向才是正截面配筋的控制方向。另外,和柱相连的梁布置情况也会对柱的刚度和内力有一定影响,使构件最大内力出现的方向并不一定完全重合在截面最大惯性矩的方向上。
（2）不同方向地震作用时,异形柱承载力有差别异形柱正截面承载力计算方法为数值积分法,即《混凝土结构设计规范》 (GB50010)2002)附录F的方法,也就是双偏压的计算方法,这是一种精确的分析方法,可以针对任意截面。用双偏压的方法计算,当轴压比不变时,不同截面会有不同的Mx-My相关曲线,反映不同加载角的承载力情况。对于T形截面,根据轴压比的不同,加载角分别在90b和270b为承载力最小,对于十字形截面,Mx-My相关曲线类似圆形,在45b加载角方向承载力略有提高。对于L形截面,在45b方向(主轴方向)左右的承载力最小,而且轴压比不同时,承载力和其它方向角相比减小的幅度也不同。
二、短肢剪力墙的受力分析
短肢剪力墙结构在现阶段主要应用在各种小高层住宅建筑中，是工程项目中最常见的形式。在设计的过程中，以符合墙体施工和应力要求，在计算中能够符合建筑形式和结构要求，并对剪力墙结构进行控制。对短肢剪力墙进行计算在目前主要是采用三维杆和薄壁柱空间分析法来进行计算。通过在计算将空间杆和墙壁组合分析，采用计算模型、配筋方法和构造要求三者之间进行计算。以TAT、TBSA为主的剪力墙计算在目前已成为短肢剪力墙计算的主要模式。相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。
（1）由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防；
（2）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率；
（3）高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢；
（4）各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心。
结束语
短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力的特点，充分了解其抗破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算分析方法和截面配筋，才能保证建筑结构的安全性和实用性。
参考文献
[1]姚铭尹.异形柱与短肢剪力墙结构设计中的几个问题[J].科技咨询导报.2007
[2]邱棉伟.建筑短肢剪力墙与异形柱结构的分析计算[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2008
关键词：建筑；剪力墙；异形柱；框架
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
引言
随着人们对住宅空间和平面要求的提高，原来的框架结构由于对空间限制较为严格而逐步被淘汰。短肢剪力墙与异形柱结构是在原有剪力墙的基础上，通过吸收框架结构的优点逐步发展形成了一种新的建筑结构。这种结构形式在工程项目中很大程度上克服了普通框架结构和剪力墙结构中存在的缺点，受到建筑企业和建筑师的肯定和青睐。
一、异形柱抗震性能受力分析
1、案例分析
西宁市属于抗震设防高烈度区，对西宁市一小开间的住宅框架分别按矩形柱和异形柱结构进行设计和对比分析(图1)。该工程为6层,层高219m,抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第二组,混凝土强度等级为C40,构件尺寸见图1。
表1为二者的总体计算结果,在地震作用下,异形柱结构的底部剪力要比矩形柱结构大16%~26%左右,各异形柱结构的平均柱剪力和节点剪力也要比矩形柱结构大,由于层1底部嵌固,反弯点较高,所以最大节点剪力出现在层2,矩形柱结构最大节点剪力为780kN,异形柱结构最大节点剪力1037kN(L形柱),一般在850~1000kN之间。矩形柱节点截面受剪承载力为1078kN;异形柱节点的截面受剪承载力为:L形和剪力平行翼缘方向的T形为591kN,剪力平行腹板方向的T形为726kN,十字形为806kN。图2为地震作用下异形柱结构层2节点两个方向的地震剪力(括号外)和截面受剪承载力(括号内)的对比。
从以上计算结果可知,矩形柱结构的节点,截面限制条件均能满足要求,但底部2层的节点箍筋配筋已较大,按柱加密区箍筋的构造配筋量则部分节点不能满足要求,而异形柱结构底部3层大部分节点的截面限制条件已不能满足要求,最大相差40%。
从以上分析可以看出,在高烈度区控制异形柱结构高度的参数已不单单是轴压比,而主要是异形柱的节点强度,所以在高烈度区,异形柱框架的节点验算必须引起设计人员的足够重视。
2、解决方案
在抗震设防高烈度区的异形柱结构中,节点强度计算已很难满足规范要求,即使能勉强满足,节点配筋也很大,施工困难,一般可通过以下方法解决。
(1)降低结构适用高度,减小内力。以往各地规范对框架和框剪异形柱结构的高度规定各有不同,但从目前弹性计算的角度来说,都有些偏大,应有所降低。
(2)增加节点承载力。在满足柱剪跨比大于115的前提下用较大的肢长;提高混凝土强度等级,但使用大于C40的混凝土时,楼板和节点强度等级宜分开,否则楼板易开裂;在满足建筑功能的情况下增加肢厚。
(3)尽量使用框架剪力墙结构体系,减小框架节点剪力,而且从有关单位所做的两种体系的振动台试验来看,框剪结构的工作性能也要明显好于比它层数低的框架结构,所以在高烈度区推荐使用框架剪力墙结构体系。
3、地震作用方向对异形柱正截面承载力验算的影响
根据规范要求,当无斜向抗侧力构件时,矩形柱结构设计的地震作用方向取工程纵横轴方向,图1(a)取为0b和90b,一般来说,矩形柱正截面承载力按单偏压方法计算时,承载力完全可包络地震作用沿其它方向作用时的情况。对于异形柱,特别是L形柱,地震作用僅沿0b和90b计算的正截面配筋并不能包络沿其它方向作用时的情况,尤其是在高烈度区,柱截面需要计算配筋,这一问题更为突出。对图1(b)所示的工程,地震作用沿45b-135b方向作用时,L形柱配筋最大,可增加10%~25%左右(计算程序为SATWE)。分析认为,这主要是由不同方向上异形柱截面刚度和承载力差异引起的。
（1）不同地震作用方向时,异形柱刚度有差别一般来说,异形柱结构中T形,L形和十字形柱都同时存在,其中T形和L形柱在各个方向上的刚度是不同的,截面惯性矩近似地反映其刚度大小。由截面几何性质可知,对等肢T形柱,0b和90b是其截面形心主轴位置,惯性矩为其截面各方向上的最大值和最小值,而对等肢L形柱,45b和135b是其截面形心主轴方向,惯性矩为最大和最小值,因此在结构平面中(见图2),不同方向各个柱之间的刚度相对比例不同,所分配的地震作用也有较大差别,这一点不同于矩形柱结构。图1(a)中柱间刚度比在各个方向上的差别不大,不会造成地震作用的分配在不同方向上相差过大。当然,也应考虑不同方向上由于结构整体刚度的差别而造成的地震作用的差异,但影响一般比较小。图1(b)中,地震作用方向沿135b和沿90b相比,结构总地震剪力降低912%,但L形柱Z1的剪力却增加54%,弯矩也相应增加,此方向才是正截面配筋的控制方向。另外,和柱相连的梁布置情况也会对柱的刚度和内力有一定影响,使构件最大内力出现的方向并不一定完全重合在截面最大惯性矩的方向上。
（2）不同方向地震作用时,异形柱承载力有差别异形柱正截面承载力计算方法为数值积分法,即《混凝土结构设计规范》 (GB50010)2002)附录F的方法,也就是双偏压的计算方法,这是一种精确的分析方法,可以针对任意截面。用双偏压的方法计算,当轴压比不变时,不同截面会有不同的Mx-My相关曲线,反映不同加载角的承载力情况。对于T形截面,根据轴压比的不同,加载角分别在90b和270b为承载力最小,对于十字形截面,Mx-My相关曲线类似圆形,在45b加载角方向承载力略有提高。对于L形截面,在45b方向(主轴方向)左右的承载力最小,而且轴压比不同时,承载力和其它方向角相比减小的幅度也不同。
二、短肢剪力墙的受力分析
短肢剪力墙结构在现阶段主要应用在各种小高层住宅建筑中，是工程项目中最常见的形式。在设计的过程中，以符合墙体施工和应力要求，在计算中能够符合建筑形式和结构要求，并对剪力墙结构进行控制。对短肢剪力墙进行计算在目前主要是采用三维杆和薄壁柱空间分析法来进行计算。通过在计算将空间杆和墙壁组合分析，采用计算模型、配筋方法和构造要求三者之间进行计算。以TAT、TBSA为主的剪力墙计算在目前已成为短肢剪力墙计算的主要模式。相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。
（1）由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防；
（2）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率；
（3）高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢；
（4）各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心。
结束语
短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力的特点，充分了解其抗破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算分析方法和截面配筋，才能保证建筑结构的安全性和实用性。
参考文献
[1]姚铭尹.异形柱与短肢剪力墙结构设计中的几个问题[J].科技咨询导报.2007
[2]邱棉伟.建筑短肢剪力墙与异形柱结构的分析计算[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2008