淺析中高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)選型
趙曉軍
摘 要： 通過方案比較，提出適合中高層住宅的兩種結(jié)構(gòu)選型，即異形柱框架和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。詳述了這兩種結(jié)構(gòu)形式的受力特點和工作性能，并據(jù)此提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：中高層住宅 異形柱框架 短肢剪力墻 受力特性 設(shè)計建議
一、前言
中高層住宅一般采用框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。隨著人們對住宅平面與空間的要求越來越高，原來普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間分隔的限制都已不能滿足人們對住宅空間的要求。于是在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，逐步發(fā)展形成了能適應(yīng)人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式，即“異形柱框架結(jié)構(gòu)”和“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”。
二、兩種結(jié)構(gòu)選型的特點
（一）、異形柱框架結(jié)構(gòu)
所謂異形柱框架結(jié)構(gòu)即是由異形柱組成框架，由輕質(zhì)墻填充而形成。異形柱框架結(jié)構(gòu)住宅的特點：
1、T形邊柱、十字形中柱、L形角柱組成的框架。
2、填充墻與柱肢、梁寬同厚，室內(nèi)不出現(xiàn)柱角。
3、填充墻的墻體材料可因地制宜，就地取材。
（二）、 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長度為厚度的5-8倍的特殊剪力墻結(jié)構(gòu)，常用的墻肢平面形式有“T”型、“L”型、“十”型、“Z”型、 “一”型。這種結(jié)構(gòu)型式的住宅其特點：
1、結(jié)合建筑平面，利用隔墻位置靈活布置墻肢；
2、連接各墻的梁，隨墻肢位置而設(shè)于隔墻平面內(nèi)，基本上不影響建筑使用功能；
3、墻的數(shù)量和肢長主要由抗側(cè)剛度的需要而定，可通過墻體布置和尺寸來調(diào)整剛度中心的平面位置；利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，較易滿足剛度和強度要求。
4、較一般剪力墻結(jié)構(gòu)工程造價低。
這兩種結(jié)構(gòu)由于克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點，受到了建筑師的肯定，更得到了住戶的歡迎，為此，本文對這兩種適合中高層住宅的結(jié)構(gòu)型式的受力特點進行闡述，并對在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的相關(guān)問題提出建議。
三、兩種結(jié)構(gòu)型式的受力分析
現(xiàn)行國家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關(guān)異形柱框架結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的條款。目前，廣東省標準DBJ/T15-15-95和天津市標準DB29-16-98兩部地方性規(guī)程是異形柱結(jié)構(gòu)體系的主要設(shè)計依據(jù)。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)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(shè)計人員積累經(jīng)驗，利用正確的概念進行設(shè)計。
（一）、異形柱結(jié)構(gòu)受力特點與設(shè)計
異形柱是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。
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(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算程序進行內(nèi)力與位移分析。
1、異形柱結(jié)構(gòu)的受力特點：
（1）由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；
（2）異型柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；
（3） 異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心混凝土協(xié)調(diào)變形，使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，導(dǎo)致異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；
（4）由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析，[1]異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。
2、異形建筑受力點在設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題：
（1） 計算模型的選用
目前，國內(nèi)可直接進行異形柱截面內(nèi)力計算和截面設(shè)計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序，廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學(xué)的鋼筋砼異形柱結(jié)構(gòu)配筋計算程序CRSC。這些程序均用數(shù)值積分法進行正截面配筋設(shè)計，準確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地保證結(jié)構(gòu)安全性。
在異形柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時，彈性計算其翹曲應(yīng)力很小，此時如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按《混凝土設(shè)計規(guī)范》計算。特別是對框架柱承擔(dān)水平力較小時，可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，應(yīng)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析。
（2） 異形柱截面剛度取值
對異形柱框架結(jié)構(gòu)，一般宜按剛度等效折算成普通框架進行內(nèi)力與位移分析。當(dāng)剛度相等時，矩形柱比異形柱的截面面積大。[2]因此，用矩形柱替換后計算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱，宜用比值（A矩／A異）對軸壓比計算值加以放大后再用于異形柱。
對于異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，由于異形柱分擔(dān)的水平剪力很小，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力與位移分析。按面積等效與按剛度等效的計算結(jié)果是接近的。3但應(yīng)同時滿足下面兩式： A矩=A異和 b/h=Ix異／Iy異 。
（3） 異形柱軸壓比控制
柱的軸壓比是影響混凝土柱延性的一個關(guān)鍵指標。柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。[4]特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，加上異形柱多屬短柱，故異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。
（4） 配筋構(gòu)造
由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現(xiàn)較大應(yīng)力。應(yīng)在肢端設(shè)暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。柱肢端部設(shè)置構(gòu)造縱筋和箍筋，這樣可限制柱肢的混凝土裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。
（二）、 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點
1、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點：
相對于異形柱結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的理論與實踐較為成熟。其計算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均類似于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。但相對于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其有以下特點：
（1）其抗側(cè)剛度相對較小。
（2）建筑角點處的墻肢及底部平面外邊緣小墻肢是其抗震薄弱部位。[5]
（3）墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的梁受力狀態(tài)已介于一般剪力墻間的連梁與普通框架梁之間。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)從以下幾個方面引起注意：
（1） 計算模型的選取
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于肢長較短，本身較高細，更接近于桿件性能，所以，用三維桿系-簿壁柱空間分析方法（TAT、TBSA）計算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地反映結(jié)構(gòu)的受力，精度較高。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，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(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時變形不協(xié)調(diào)，這時應(yīng)該用空間桿-墻組元程序（TBSSAP、SATWE）進行校核。
（2）避免結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，加強抗震薄弱部位的構(gòu)造措施。在地震作用下，當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，會加劇建筑平面外邊緣的墻肢的翹曲變形。因此，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，必要時用長肢墻來調(diào)整剛度中心，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；從抗震構(gòu)造措施上應(yīng)適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度，減小軸壓比，加強墻肢端部的暗柱配筋等以提高墻肢的承載力和延性。
（3）加強底部外圍小墻肢的延性。高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主。底部外圍小墻肢同時承受著較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力，因而對外圍小墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量，提高外圍小墻肢的抗震性能。尤其要避免形成孤立的“一”字形墻肢，保證小墻肢在兩個方向上均有連接。
（4）連梁的延性設(shè)計。由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中墻肢剛度相對減小，連梁跨度增大，其受力已接近普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁。設(shè)計時應(yīng)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。[6]因此，不能在計算的總體信息中盲目將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁要求，按強剪弱彎，強柱弱梁的延性要求進行計算。
四、結(jié)語
總之，異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)因其特有的優(yōu)越性能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應(yīng)用。異形柱框架結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)從重視概念設(shè)計，充分了解其各種破壞的機理，根據(jù)其受力特點選用合理的結(jié)構(gòu)分析模型，采取適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施等多方面來保證結(jié)構(gòu)有可靠的安全性。
 

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