探讨高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计

探讨高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计

郑义明

国药集团重庆医药设计院有限公司 重庆市 400042

摘要：异形柱和短肢剪力墙是目前在建筑设计中经常见到的一种结构，它们都属于建筑支撑结构中较为独特的一种类型。近些年来，人们对这两种结构的设计都较为慎重，主要的原因就是人们对这两种结构的支撑能力没有足够的自信，对其是否能够满足地震作用下的承载力要求持怀疑态度。然而，通过大量的结构试验，这两种结构的支撑能力逐渐被设计者们认可，并逐渐在建筑工程中普及。本文对异形柱和短肢剪力墙的结构特征和设计的关键环节进行了剖析，希望能给大家提供一些参考。

关键词：异形柱；短肢剪力墙；支撑体系；设计要点

引言：目前，我国居民对住宅，尤其是高层住宅的平面尺寸和容积率的不断提高，传统的框架结构、剪力墙结构等常规结构形式对房屋内部空间的限制和分割已经无法满足居住需求。因此，在原有剪力墙的基础上，吸纳了框架结构的优势，逐渐发展出符合现代居住理念的短肢剪力墙与异形柱框架。这两种新型结构因其较好地解决了一般的框架和剪力墙结构对房屋空间限制的问题而被设计师所认可，并深受居民和开发商的青睐。

1.发展异形柱和短肢剪力墙结构的必要性

尽管传统结构具有传力途径简单、设计施工便利、施工技术成熟等优势，但它会占用大量的建筑内部空间，同时也会大幅度限制建筑的造型美观问题。因此，随着异形柱和短肢剪力墙的发展，研究学者们已经逐步地对传统建筑支撑结构的发展限制进行了改进。目前，框架结构已被广泛地运用于房屋的设计中，其构造形式的出现，为异形柱以及短肢剪力墙的发展提供了前提条件。随着建筑对内部空间要求的不断提高，传统的柱式框架已经无法再适应更大的空间要求。因此，将异形柱与短肢剪力墙相结合，形成一种新型的墙体结构形式，因而可以满足较大范围的需要。

2.高层建筑短肢剪力墙结构形式的特点

2.1可满足结构设计的需要

在高层建筑工程结构的设计中，可以将短肢剪力墙中的墙肢和连梁藏于隔墙内，实现对其结构的灵活布置，而结构设计中所需的墙的数量和肢长都可以按照抗侧力的需要来确定。同时，还可以按照不同的尺寸来调节短肢剪力墙的刚度和刚度的中心位置。

2.2可充分满足高层建筑功能的需要

首先是可以确保剪力墙墙板和隔墙墙板的厚度一致，从而将每一堵墙的梁都固定在同一水平面上，防止梁与柱从墙上突出。其次是在隔墙材料上进行变革，要求使用更轻便的墙壁材料，以达到建筑后期的功能需求。

2.3高层建筑短肢剪力墙结构体系使用更加方便

首先是它的运用更加灵活。在结构设计时，可将其与建筑物的整体布局相联系，并借助建筑物中的隔断，使垂直构件的排列更加合理，对建筑物墙体间所需的横梁，可按墙体肢体的定位，在墙体垂直面上进行设置，达到隐蔽的目的。其次是短肢剪力墙的个数，墙肢的长短可根据其所受的侧向荷载调节。此外，高层建筑短肢剪力墙结构体系能使短肢剪力墙的位置具有一定的灵活性。它的构造设计和构造方案都比较简单。最后是对于短肢剪力墙，不仅在建筑物的平面内可以满足其抗侧力刚度的要求，同时能够满足其对抗震性能的要求。

3.异形柱与短肢剪力墙结构设计的改进

3.1通过合理布置巩固结构

短肢剪力墙结构受地震作用最容易产生破坏的部分为房屋平面外缘拐角的墙肢，其布置应合理、对称、均匀，并力求质量中心和刚度中心一致。如果存在扭转作用，则会使既有的翘曲变形进一步加重。因此，只要抗侧力构件布置得当，其仍不失为一种较为理想的结构体系。短肢墙主要以承受垂直荷载，而高层建筑则以承受水平荷载为辅助，其剪力墙和墙肢均不宜太短。所以，无论在异形构件还是在短肢剪切构件中，均应以T型，L型，十字型为主要形式。

3.2保证计算数据精准

短肢剪力墙平面尺寸不应太小，墙体的厚度应大于200mm，墙体横断面的高厚比应控制在5-8之间，从而保证墙体具有一定的刚性。在墙体横断面高厚值小于3的情况下，梁净跨不能低于4至6米。对于抗震设计，一级抗震等级的短肢剪力墙一般部位提高系数为1.4，二级抗震设防等级的提高系数为1.2。而对于一字型短肢剪力墙，由于其延性较差，其轴压比极限值应减小0.1。在此基础上，本文提出了一种新的配筋法，即在钢筋混凝土框架结构中，配筋法可参照普通剪力墙的配筋法。在进行地震反应分析时，在地震作用下，对短肢剪力墙截面纵筋的配筋率，一、二级抗震在底部加强部位为1.2%，在其他位置为1.0%，三、四级抗震在底部加强部位为1.0%，在其他位置为0.8%。

3.3异形柱和短肢剪力墙施工细节需加强

在此基础上，针对短肢剪力墙结构系统，每一段均采用两种不同的受力模式进行计算，在此基础上，结合两种受力模式进行计算，并将两种受力模式下的受力情况按框架梁和剪力墙连梁进行计算。对此，本文提出了一种基于SATWE的计算与分析方法。每一种短肢墙板都要尽可能地对齐和拉直，并与连梁共同组成一个较为规整的、连续的、均一的抗侧力板件。在进行总体分析时，应充分考虑墙体对结构基础振动周期的影响，其折减系数可取为0.8至0.9。

4.应注意的问题

4.1异形框架的计算

在水平荷载作用下，偏压结构仍可按水平断面假定进行分析。在此情况下，可将异形截面柱换成等刚性的矩形截面，通过相应的计算软件即可对其进行深层计算。而当水平力很大，且在非轴向上受力时，翘曲剪应力也不可忽视。在假设平面断面存在很大偏差时，需要对基础框架进行有限元计算，以决定构件的受力情况以及配筋的位置与尺寸。在进行构件的受力分析和配筋分析时，要选用能够进行异形构件计算的构件。若用数值分析的方法，则可将它们等效为等刚度等强的矩形截面。在异型断面设计前，必须对其进行综合分析，然后再进行二次内力计算，这不仅费时费力，而且断面设计的稳定性和可靠性也不高。

4.2轴压比的控制

对框支剪力墙结构而言，柱的延性对耗散地震动所释放的能量有较大的影响，从而对整体框架的破坏起到了保护作用。结果表明，在不同的轴向压缩率下，其结构的剪力中心及截面剪力中心均不一致，因此在较大的轴压比条件下，改善柱延性及增大配箍数量的效果几乎可忽略不计。此外，由于大部分的异形构件为短截面，其强度较低，易产生明显的脆性，因此其塑性性能远不及矩形构件，所以，对异形柱子的轴向压缩率要进行严格的控制。

4.3配筋的构造

在合理选取、合理计算的基础上，采用不同的配筋方式，能够使其在不同的配筋方式下发挥更大的作用。由于异形柱的断面特点，其肢端受力较大，且拉应力分布不均匀，梁受力较大。所以对于加强异形柱配筋时，必须将其设置在肢端。在此基础上，进行了暗柱外侧配筋的计算。当钢筋混凝土柱受拉时，箍筋既能起到抗剪作用，又能有效地控制其弯曲变形，改善其延展性。因为异形柱很难形成多肢组合箍，所以要达到一定的加劲率，就必须采用加大箍筋的直径，并采用充填的方式。在同样条件下，钢筋混凝土柱的延性指数随配筋率的增大而增大。

结束语

对于异形柱-短肢剪力墙结构而言，其设计目标是增大结构的可利用面积，提高结构的抗震性能。若不采用短肢剪力墙的异形柱，则需加大支撑柱的截面面积，不仅对其可利用性有较大的影响，还会对建筑的构造产生影响，因此并不是一个很好的建筑设计方案。采用比较可靠的异形柱与短肢剪力墙结构，将其在和分散于墙体与支撑柱之间，可在保证结构稳定的前提下，充分发挥了短肢剪力墙的作用，大幅度降低了结构在地震作用下存在的安全隐患。同时，要针对建筑物的高层的数量，对高层的跃迁现象进行妥善处理，以达到降低高层跃迁的目的。

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