短肢剪力墙结构与异形柱结构的区别

短肢剪力墙结构与异形柱结构的区别
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍剪力墙结构。

异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。

1 短肢剪力墙结构
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍剪力墙结构，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。

这种结构型式的特点是：
①结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾；
②墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；
③能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单；
④连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽；
⑤根据建筑平面的抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较易满足刚度和强度要求。

对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析相同，可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法，前者如建研院的TBSA、TAT，广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块，后者如建研院的TBSSAP、SATWE，清华大学的TUS，广东省建院的SSW等。

其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。

虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该用空间杆-墙组元程序进行校核。

在进行以上分析后，按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计，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；
(5)高层结构中的连梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁要求，控制砼压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%-80%来解决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。

（6）短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
振动台模拟地震试验结果表明［7］，建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。

当有扭转效应，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂；在地震作用下，高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，底部外围的小墙肢，截面面积小且承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其“一”字形小墙肢破坏最严重；在短肢剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，使
连梁受剪破坏的可能性增加。

因此，在短肢剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，更应加强概念设计和抗震构造措施。

例如，短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应；适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度（宜取250mm，对底部外围的小墙肢根据需要可取用300mm），加强墙肢端部的暗柱配筋，严格控制墙肢截面的轴压比不超过0.6，以提高墙肢的承载力和延性；高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏；短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各肢的平面内，避免采用“一”字形墙肢；短肢剪力墙底部加强部位的配筋应符合规范要求。

（7）短肢剪力墙结构构造.
1 短肢剪力墙最大适用高度应比《高规》表4.2.2－1中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m；
2 抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部的地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％；且任一层短肢剪力墙承受的水平剪力不应小于总基底剪力的20％。

3 抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比《高规》表4.8.2
规定的剪力墙的抗震等级提高以一级采用。

4 抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力和荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴力设计值的轴压比，抗争等级为一、二、三时分别不宜大于0.5，0.6和0.7；对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1。

5 抗震设计时，除底部加强部位应按《高规》第7.2节和第7.10条调整剪力设计值外，其他个层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2。

6 抗震设计时，短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2％；其他部位不宜小于1.0％；
7 短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。

8 7度和8度抗震设计时，短肢剪力墙宜设置翼缘，一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。

9 B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。

2 异形柱结构
异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。

它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

这种结构的特点是：
①由于截面的这种特殊性，使得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异；
②对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，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），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。

异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI或εcu/χ(εcu为砼的极限压应变，χ为截面受压区高度)较小，使弯曲变形性能有限，延性较差；
③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心砼协调变形和内力，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，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；
④特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。

由国内外大量的试验资料和理论分析［2］，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。

由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

在进行异形柱结构设计时，除满足高规中对结构布置要求
外，还应注意几个方面的问题：
(1)异形框架的计算
由于其截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按砼设计规范计算，特别是在框——剪，框——筒结构中，对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。

此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。

而在水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。

在进行内力计算和配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。

现在有一些软件没有异形柱截面形式，如要用它进行计算，要先进行等刚度等面积换算成矩形柱，进行整体分析，得到双向内力后再进行异形柱的截面设计，其工作量相当大，且截面设计的可靠性不高。

目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的TAT、SATWE程序，广东省建院的SS、SSW程序以及天津大学的钢筋砼异形柱结构配筋计算程序CRSC。

这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地满足结构安全性要求。

（2）异形柱的受力性能及其轴压比控制
天津大学的试验研究结果表明［4］：异形柱的延性比普通矩形柱的差。

轴压比、高长比（即柱净高与截面肢长之比）是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。

异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。

由于剪应力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。

作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，同时避免高长比小于４（短柱）。

控制柱截面轴压比的目的，在于要求柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。

广东《规程》按建筑抗震设计规范（GBJ11—89）中所规定的柱子轴压比降低0.05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、箍筋直径及抗震等级共同确定，其要求比广东《规程》严格，例如，对s/d＝５、４（即箍筋间距s＝100mm，纵筋直径d分别为20mm、25mm的情况），箍筋直径dv＝8mm，抗震等级为三级的L形截面，其轴压比限值分别为0.60，0.65。

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》（JGJ3—91）第5.3.4条，“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0.6”。

根据上述分析，为便于应用，建议在６度设防区，对于异形柱框架结构，L形截面柱的轴压比不应超过0.6（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0.65，十字形截面柱的轴压比不应超过0.8；对于异形柱框架—剪力墙（或核心筒）结构，由于框架是第二道抗震防线，所以框架柱的轴压比限值可放宽到0.65（L形）、0.70（T形）、0.90（＋字形），但对于转换层下的支承柱，其轴压比仍不应超过0.60。

短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。

根据高长比不宜小于４，在梁高为600mm的前提下，当标准层层高为3.0m时，异形柱的最大肢长可为600mm；底层层高为4.2m时，肢长可为900mm。

（3）异形柱结构构造
1 异形柱结构的梁、柱、剪力墙和节点构造措施，除应符合本规程要求外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

2 异形柱、梁、剪力墙和节点的材料应符合下列要求：
1 混凝土的强度等级不应低于C25，且不应高于C50；
2 纵向受力钢筋宜采用HRB400、HRB335级钢筋；箍筋宜采用HRB335、HRB400、HPB235级钢筋。

3 框架梁截面高度可按（1/10～1/15)lb确定（lb为计算跨度），且非抗震设计时不宜小于350mm；抗震设计时不宜小于400mm。

梁的净跨与截面高度的比值不宜小于4。

梁的截
面宽度不宜小于截面高度的1/4和200mm。

4 异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。

5 异形柱、梁的纵向受力钢筋的连接接头可采用焊接、机械连接或绑扎搭接。

接头位置宜设在构件受力较小处。

在层高范围内柱的每根纵向受力钢筋接头数不应超过一个。

柱的纵向受力钢筋在同一连接区段的连接接头面积百分率不应大于50%，连接区段的长度应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定确定。

6 异形柱、梁纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度应符合国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2002第9.2.1条的规定。

注：处于一类环境且混凝土强度等级不低于C40时，异形柱纵向受力钢筋的混凝土保护
层最小厚度应允许减小5mm。

7 异形柱、梁纵向受拉钢筋的锚固长度la和抗震锚固长度laE应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定确定。

3 结束语
总之，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，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋，其结构才能有可靠的安全保证。