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1、异型柱、短肢剪力墙结构的设计建设行业专版施工技术异型柱,短肢剪力墙结构的设计异型柱,短肢剪力墙结构由于其在建筑使用方面的诸多优点,已在工程中普遍使用.但就结构设计来讲,由于研究不够充分,标准和规定也存在诸多争议,设计中存在一定的混乱.为此,本文根据自己的设计经验对这两种结构的受力特点,结构分析及构造要求进行阐述.一,异形柱结构1.异形柱结构定义所谓异形柱是相对于矩形柱而言的,规定柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4范围的类似剪力墙的结构.常用的有T字型,L型,十宇型等.2.异形柱结构特点相对于矩形柱而言,异形柱墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大,导致各向刚度不一致,其各向承载能力也有较大差
2、异:对于长异形柱(H/h>4),控制轴压比较小时,受力明确,变形能力较好.而对短柱(H/h<4),构件变形能力下降.异形柱由于是多肢的,其剪切中心往往在平面范围之外,受力时要靠各柱肢交点处核,biIl凝土协调变形和内力,这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力,而该剪应力的存在,使柱肢易先出现裂缝,也使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态,它使得异形柱较普通截面柱变形能力低,脆性破坏明显;异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况,其延性更差.3,异形柱结构的计算由于异形柱截面不对称,在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视.因此,对异形柱结构应按空间体系考虑,宜
3、优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析.另外一种计算方法就是将异型柱按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析.当刚度相等时,矩形柱比异形柱的截面面积大.一般比值(A矩/A异)约在1.20-1.50之间.因此用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱,建议用比值(A矩/A异)对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱.异形柱的截面设计可根据算得的内力,采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算.4.异形柱的受力性能及其轴压比控制广东规程按建筑抗震设计规范(GBJ1189)中所规定的柱子轴压比降低OO5取用(按截面的实际面积计算);天津规程则根据箍筋间距与主筋直径之比,
4、箍筋直径及抗震等级共同确定,其要求比广东规程严格.异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件,柱肢截面的肢厚比(即肢长/肢宽)不大于4.高规(JGJ391)第5.34条规定,抗震设计时,小墙肢的截面高度不宜小于3bw,一,二级剪力墙的小墙肢,其轴压比不宜大于O.6.根据上述分析,对于异形柱框架结构.L形截面柱的轴压比不应超过O6(按截面的实际面积计算,下同),T形截面柱的的轴压比不应超过O.65,十字形截面柱的轴压比不应超过O.8.但对于转换层下的支承柱,其轴压比仍不应超过O.6O.5.异形柱结构配筋构造由于异形柱不仅受轴向力作用,而且受一定的弯矩,表现出一定的矩形柱的受口李艳春赵群昌l业界力
5、特性,因此主受力钢筋应配在异形柱的角害B.二,短肢剪力墙结构1.短肢剪力墙的定义现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)的定义是:短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比(肢高厚比)为5到8的剪力墙.2.短肢剪力墙的优点与普通的剪力墙相比,短肢剪力墙门窗洞口更大,可以较好地满足住宅建筑的采光与通风要求,增加使用面积,布置灵活.这种结构体系通常都是利用中部的竖向交通区设置较多的剪力墙,组成一个较为完整的或基本完整的筒体.也可以将由竖向交通区所构成的混凝土筒设置在结构外边,而靠中间的楼梯间可用混凝土剪力墙构成一个相对完整的半开放的简体.这一部分的结构布置与建筑平面的划分较容易达成一致,易于
6、实现.3.短肢剪力墙结构及其计算短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构.其计算模型,配筋方式和构造要求与普通剪力墙结构类似.在TAT,TBSA中可按剪力墙输入.TAT,TBSA所用的计算模型都是杆件,薄壁杆件模型,其中梁,柱为普通空间杆件,每端有6个自由度,墙视为薄壁杆件,每端有7个自由度(多一个截面翘曲角,即扭转角沿纵轴的导数),考虑了墙单元非平面变形的影向.但是,薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽,结构布置复杂(如有转换层)时,存在较多的问题,如:薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响,当结构布置复杂时广东科技20065总第153期业界It设恬业专版施工技术变形不协调:墙肢间的不同
7、受力仅采用截面翘曲角反映,计算的精度难以保证.现在逐渐的被墙元模型取代.如ETABS,SE,TUS等4.短肢剪力墙配筋构造短肢剪力墙介于异形柱与普通剪力墙之间,以轴向力为主,弯矩为辅.从柱子来讲其主受力钢筋应安排在柱的角部,从剪力墙来说,也应加强边缘构件的配筋.但如按剪力墙的边缘构配筋方法,由于短肢剪力墙墙肢短,可能会出现全截面均配钢筋,这对短肢剪力墙的受力并不是最佳,因此建议墙肢角部筋配在0.2L(L为墙肢长)墙肢范围内.三,关于异形柱,短肢剪力墙结构设计的思考1.异形柱,短肢剪力墙及普通剪力墙抗震能力分析笔者认为结构地震设计的核心有三点:一是结构变形的控制:二是变形能力的加强;三是次要构件
8、允许先破坏.(1)在小,中地震的作用下,结构部产生的变形控制在一定的范围内,结构的变形小,也即结构的受力小,从而保证结构不破坏或少破坏:(2)保证结构的变形能力.变形能有两种作用,一是吸收地震能量,使大的地震能量不产生继续的累积,二是保证大震不倒塌的关键.从定性的角度来讲,在轴压比相当的情况下,异形柱的变形能力一定要比普通剪力墙结构强得多,因为从形状上看,普通剪力墙就是一个肢更长的异形柱,比异形柱更异型的柱.只要对异形柱的轴压比,配筋和位移加以适当的约束,即达到与普通剪力墙相当的程度,那么异形柱的抗震性能应优于普通剪力墙结构.从构件的直观感觉来讲,异形柱,短肢剪力墙和普通剪力属于同意性质的构件
9、,短肢剪力墙比异形柱的墙肢更长,而普通剪力比短肢剪力墙的肢更长.从异形柱,短肢剪力墙到普通剪力墙结构墙肢是逐渐变化的,是一个连续的过程,结构的受力不会产生突变.目前,在抗震设防烈度为7度及其以厂乐科技20065总第153期下的地区适用范围大至如下:(1)异形柱框架结构可用在七层以下的住宅中(2)短肢剪力墙结构适用于七层二十层左右的住宅,尤其是十一,十二层小高层住宅.(3)剪力墙结构体系是传统高层住宅中常用的结构体系,一般用于十八层以上的住宅建筑不同的结构构件应用于不同的结构高度,这是自然形成的.如异形柱不会用于高层结构一样,但不同构件的名称定义却是认为划分的.笔者认为在异形柱控制了轴压比以后,
10、虽然三者受力有其各自的特点,但三者有很多的共性,三者应为为同一性质的构件,仅存在构件尺寸的差别,并无质的分别.墙提高一级,相应的暗柱构造配筋率增大一倍:(2)为了满足长墙承担的倾覆弯矩大于50%要求,短肢墙的数量大大减少,其最终的结构形式倒像是一般剪力墙结构中设置了部分的短墙肢.因此,与其作二级抗震的短肢墙,还不如做三级抗震的一般剪力墙,两者墙肢的长度也就2030CM的差距.这对于建筑的经济,IWzgn结构技术的提高都是无益的.另外,规范要求异型柱肢不能太长(控制短柱),而对短肢剪力墙则要求肢不能太短,也是一对难以解释的矛盾要求.笔者认为在限制了异形柱的轴压比的情况下,异形柱可看作超短肢剪力墙
11、,在异形柱结构中可以有短肢剪力墙出现,表1异形柱,短肢剪力墙和普通剪力墙受力比较抗震短肢抗震普通抗震类型异形柱能力剪力墙能力剪力墙能力轴压比相当相当相当相当相当相当弯矩大小由由小大变形能力大大由由小小从表1可以看出,异形柱,短肢剪力墙到普通剪力墙结构墙肢是逐渐变化的,是一个连续的过程.结构的受力不会产生突变,人为的割裂也许是个错误.2.目前设计中的矛盾与困惑目前,国家规范对于异形柱结构没有相应的规定,有的地方规范要求异形柱结构只能用在七层及七层以下的住宅中,在设计中设计人员为了满足这条要求,有时就要增加整层的混凝土等级或增加柱根数,造成比必要的浪费.高规短肢墙的抗震等级比一般剪力墙提高一级,并且短肢墙配筋也比一般剪力墙提高很多.按照新高规的要求,目前12层左右的结构做短肢墙已经没有经济性可言了,理由如下(1)短肢墙的抗震等级比一般剪力就象短肢剪力墙中可以出现普通剪力墙结构墙一样,不同的构件可按不同的计算模型和构造要求.而对于短肢剪力墙也没有必要做过严的要求的必要.但是,许多高层住宅结构由于开洞过大,使得剪力墙墙肢过短,连梁高度过大,剪力墙实际上被设计成了扁柱,给结构的安全性,经济性造成了不利影响.对短肢剪力墙截面形状的限制可能更有利于结构的受力及抗震性能.(作者单位:李艳春,深圳市同济人建筑设计有限公司;赵群昌,深圳市市政工程设计院)
