短肢剪力墙与异形柱结构抗震设计分析

２０１０年第４期　（总第１２８期）　大众科技　ＤＡＺＨＯＮＧ　ＫＥＪｌ　Ｎｏ．４，２０１０　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ．１　２８）　短肢剪力墙与异形柱结构抗震设计分析　熊艺媛　（广西建筑科学研究设计院，广西南宁５３００１１）　【摘要】近年来“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式得以广泛应用。这两种结构型式在很大程度上改进了普　通框架与普通剪力墙结构在建筑平面划分上的缺点。但是两种结构型式都属于抗震比较不利的结构，通过对短肢剪力墙和异形　柱的结构特点及抗震受力机理进行分析，提出抗震设计的注意事项。　【关键词】短肢剪力墙结构；异形柱结构；结构设计；抗震分析　【中图分类号】ＴＵ３５　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００８—１１５１（２０１０）０４—００７３—０２　（一）前言　２０１０年１月ｌ２日加勒比岛国海地发生里氏７．０级地震以及　２００８年５月１２日四川汶）１１８．０级特大地震造成的重大伤亡和损　失为结构设计者敲响了警钟：抗震设计研究刻不容缓。建筑　产品在满足经济适用、美观灵活的要求的同时，决不能忽视　结构的安全性。　（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。　２．异形柱结构特点　（１）由于截面的特殊性，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：　近年来，由于普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结　构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间　的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优　点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结　（２）对于长柱（Ｈ／ｈ＞４）可以不考虑剪切变形的影响，　当控制轴压比较小时，受力明确，抗变形能力较好。而对短　柱（Ｈ／ｈ＜４），剪切变形占有相当比例，构件抗变形能力下降。　异形柱通常在短柱范围使用，且属薄壁构件，即使发生延性的　构型式，即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。　这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪　力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定，更得到了住户与房　产商的欢迎。　弯曲形破坏，也因其截面曲率Ｍ／Ｅ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混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　但由于这两种结构体系的抗震性能比较不利，理论分析　和试验研究又相对滞后，因此进行合理的抗震设计尤为重要。　事实上这两种结构通过合理布置和抗震设计，能很好地满足　抗震设防的要求，在高层、小高层住宅设计中是一个不错的　选择。　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；　（二）短肢剪力墙和异形柱的结构特点　短肢剪力墙为墙肢截面高度与厚度之比为５～８的剪力　墙。普遍上认为，短肢剪力墙结构为剪力墙结构中“短肢剪　力墙结构较多”的情况下的结构，短肢剪力墙承受竖向荷载　的面积较大，达到楼层面积的４０％￣５０％以上。　异形柱的截面几何形状为Ｌ形、Ｔ形、和＋字形，且柱肢　（４）由于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。由于其受力性能的复杂，抗震设　计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施（配筋示意见图　１）来保证其强度和延性。　受力钢筋　的截面高度与柱肢宽度的比值在２～４。异形柱结构常见的有　异形柱框架结构和异形柱框架一剪力墙结构。　嚯睦　７Ｌ受　１Ｊ力　铜筋　一＇，●　Ｌ培ｒＬ柱　１Ｊ　●　１．短肢剪力培结构特点　（１）结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，　Ｔ彤截面　Ｌ形截面　十字形截面　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；　图１异形柱配筋示意图　（三）短肢剪力墙结构抗震设计分析　１．地震作用下的破坏机理　短肢剪力墙结构介于一般剪力墙结构和框剪结构之问。　地震作用下其肢宽、连梁刚度和承载能力对整个结构的承载　（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，　形式上较为隐蔽；　能力和变形能力影响很大，其角点处墙肢、建筑平面外缘、　【收稿日期】２０１０－０１—１９　【作者简介】熊艺媛（１９８２－－），女，广西建筑科学研究设计院助理工程师，硕士研究生，从事高层与超高层建筑结构研究　设计工作。　．７３．　连粱及“一”字形短肢剪力墙是抗震薄弱环节。短肢剪力墙　是一种强肢弱梁型的联肢墙，连梁是耗能构件，因墙肢刚度　相对较小，已类似于普通框架梁，较易受剪破坏，多为连梁　先开裂，然后墙肢开裂。短肢墙因单位面积上承受较多竖向　荷载而破坏严重，尤其“一”字形墙肢，应力集中现象明显，　出现上下贯通裂缝。有扭转效应时，平面外缘及角点处墙肢　会先行开裂。设计中，对这些薄弱环节应加强抗震构造措施，　如减小轴压比、增加纵筋和箍筋的配筋率、短肢墙设翼缘等。　筋，但纵筋应向肢端角点及拐点集中，因墙肢中部离中和轴　近，配筋发挥不了作用。若墙肢较长，受力特征更接近～般　剪力墙，可按一般剪力墙配筋方式来配筋，但纵筋不可太集　中于暗柱中，以保证“强剪弱弯”原则。　ｌ［　３　０　Ｉ：　匕　口‘　２．结构计算软件和模型　目前短肢剪力墙结构广泛采用建研院ＰＫＰＭ—ＣＡＤ工程部的　　两个软件：ＴＡＴ和ＳＡＴＷＥ。ＴＡＴ用来计算一些结构较规整的高　层建筑，其计算模型视墙为薄壁杆件，对梁柱采用空间杆系　图２短肢剪力墙配筋示意图　计算原理。ＳＡＴ￣Ｅ是较实用的板壳单元模型，用来计算一些　结构复杂、规模大的高层或超高层建筑物，是基于壳元理论　的考虑空间组合作用的有限元分析法，精度高。ＴＡＴ和ＳＡＴＷＥ　计算结果存在一定的差别，主要是因为：对剪力墙的计算模　型不同，结构计算刚度不同，产生的地震作用、内力分配及　位移不同。根据《高层建筑混凝土结构技术规程）ＪＧＪ３－２Ｏ０２：　体型复杂、结构布置复杂应采用至少两个不同力学模型的结　构分析软件进行整体计算。因此对短肢剪力墙结构，宜采用　ＳＡＴＷＥ计算，但结构较复杂时，可以用ＴＡＴ和ＳＡＴＷＥ分别计算　作对比和补充。　３．抗震设计中需注意的问题　（Ｉ）因短肢剪力墙一般为弯剪构件，为脆性破坏，对抗　震不利，规范了短肢剪力墙的大量使用和单一使用，即　短肢剪力墙较多时，应布置简体或一般剪力墙形成短肢剪力　墙与简体或一般剪力墙共同抵抗水平力的结构体系。　（２）短肢剪力墙应均匀对称布置，力求质量中心和刚度　中心重合以减小扭转效应，防止加重粘结破坏、降低承载力，　必要时可用一般剪力墙来调整刚度中心。竖向布置短肢剪力　墙，宜做到墙肢上下对齐、连续，尽量避免洞口错位。　（３）避免采用“一”字形墙肢，否则应采取增加配筋、　减小轴压比、设置端柱等措施。　（４）适当增加建筑平面外边缘和角点处的墙肢厚度及　长度，并加强短肢剪力墙尤其是底部的配筋，提高墙肢的抗　扭刚度、延性和承载力。　（５）设计中应注意梁长度的要求。与短肢墙连接的梁在　支座处应贯通，便于施工且易保证短肢墙的混凝土浇注质量，　与一般剪力墙的连接可按连梁的要求设计。　（６）短肢剪力墙两个方向均宜有梁与之连结，连梁宜布　置在各肢的平面内。　（７）在地震作用下，连梁开裂并有一定的变形是允许的，　不宜配置大量纵筋。短肢剪力墙结构应设计成强墙柱弱连梁　的体系，墙柱可采用强度等级高的混凝土，加强墙柱配筋，　连梁高度尽量减小，使分配的地震力不至于太大，也使结构　体系的计算更为合理。　（８）配筋方式（如图２）主要有两种方式：　①按柱配筋方式。这种方式中也有两种布筋方式，有的　将纵筋均匀布置在周边，有的则将纵筋的大部分集中在肢端　暗柱位置处。　②按～般剪力墙的配筋方式。因为短肢剪力墙的纵筋配　筋率已提高到１．２％、１．０％，达到了约束边缘构件的最小配筋　率。若墙肢较短，受力特征接近异形柱，可按柱配筋方式配　．．７４．．　（四）异形柱结构抗震设计分析　１．地震作用下的耗能机理　（１）使梁端首先屈服，出现塑性铰，即“强柱弱梁”，　这是基本的抗震设计原则之一，也是保障结构有良好的弹塑　性耗能能力的重要措施。通过合理的结构布置和设计，做到　“强柱弱梁”，使结构具有良好的抗震耗能能力，使柱端的　屈服和出现塑性铰晚于梁端，即在结构各个节点处均具“强　柱弱梁”的特性。　（２）节点的破坏应晚于梁柱，且应做到强节点，强锚固。　节点的工作性能应稳定，其破坏必须晚于梁柱且程度应较轻，　这是保障结构整体有良好耗能性能的必要条件。　（３）楼板与梁可共同耗能。因楼板参与梁的工作，楼板　在梁铰位置出现裂缝，当梁铰发展到一定程度后，楼板出现　脆性断裂而成通缝，这些过程使楼板能消耗一定的能量。当　楼板为受压时，梁端截面相当于一个Ｔ形截面，其翼缘受压，　相对受压区高度较小，可使梁的延性性能很好地发挥。当楼　板受拉时，由于楼板的开裂，失去了抗拉作用，梁就象矩形　截面梁一样，也能发挥其正常的耗能作用。　２．结构计算软件和模型　目前异形柱结构广泛采用ＰＫＰＭ软件来进行设计，建模时　应注意的问题：　（１）在ＰＭＣＡＤ上定义Ｌ、Ｔ、十字形柱时，应用里面的“十　字形”截面定义，并且应把截面相同而转角不同的柱定义成　几个不同的截面。不宜采用转角的方式。　（２）由于异形柱的柱肢较长，梁柱重叠部分大，在计算　时应选择“梁柱重叠部分作为刚域”。　（３）混凝土异形柱的计算宜选用双偏压计算。　（４）对于肢长与肢宽之比不大于ｄ的异形柱，由于它已　接近柱的特征，应按异形柱形式输入。对于肢长与肢宽之比　大于４但不超过５的短肢剪力墙，可以按两者分别计算取计算　结果的较大值。　（５）ｚ型柱可按两个Ｌ型柱输入。　３．抗震设计中应注意的问题　（１）进行异形柱结构布置时应注意避免设置“一”字形　和“ｚ”形柱。“一”形柱截面两主轴方向抗弯能力相差较大，　梁柱节点的核心区面积较小，承受节点剪力的能力较弱。“ｚ”　形柱在较多情况下承受和上下水平肢方向一致的力，即由上　下两根梁传来的拉力或压力，这些力将通过中间肢的受扭来　传递，受力较大时易在中间肢劈开。　（２）异形柱采用的混凝土强度等级不应小于Ｃ２５，也不　应高于Ｃ５０。这是由于异形柱截面尺寸相对较（下转第５８页）　（二）测量装置设计　根据“猫眼”目标的结构和反射原理，以及光电探测器　表面材料的特性分析，探讨测量反射率时应该注意和解决的　问题：　１．由于“猫眼”目标反射光原路返回的特点，必须考虑　解决入射光与反射光的光路相互干扰不易测量反射率的问　题。　射率Ｑ＝　／　。　至此，解决了目标入射光与反射光的光路干扰不易测量　反射率的问题。测试台可作小角度范围的转动，用以测量入　射光在不同入射角度时反光板的反射率的情况。　（三）测量结果　１．按照试验装置图来组装仪器，包括１．０６　ＹＡＧ激光器、　２．光电探测器等反射面有多层结构，反射光斑不只一个，　特别是有窗口玻璃的，会出现多个辐射通量不同的反射光斑，　在测量时必须仔细地调整并选用接收面积大的探测器，才能　把所有的反射光斑收入辐射测量计之中。　扩束器、分束器、全反射镜、光陷井、可移动光阑、ＰＩＮ光电　二极管（光电接收器），３００ＭＨｚ７ＤＳ　３０３２Ｂ示波器（用于测量　波形幅度），模拟“猫眼”目标（伽利略式光学镜头）。分束　器要求对波长为１．０６ｔｔｍ的激光在４５度入射时反射、透射光　３．测量系统装置尽量在封闭的暗室内，避免杂散光的影　通量相等（分光比为ｉ：Ｉ）。全反射镜、固定和活动全反镜对　响。　波长为１．０６　的光谱来说，其反射率为９９％。　根据以上的分析，设计出的测试图如图４所示。　２．用本装置对模拟的“猫眼”目标进行测试，激光器与　猫眼目标相距２０米，测试结果如图５所示。　图４实验装置示意图　图中，１．０６　激光经扩束光学系统后，入射到分束器１　后一分为二。Ａ光束进入分束器２，一部分进入光陷井２被吸　图５反射率与入射角度关系曲线图　收，一部分经可移动光阑入射到“猫眼”目标后反射后沿原　光路返回经分束器２进入光电接收器１。Ｂ光束经全全反镜进　（四）结论　入分束器３，一部分进入光陷井３被吸收，一部分入射到标准　实验中，“猫眼”目标对１．Ｏ６啪激光的反射率最高能达　反射镜后，沿原光路返回分束器３，再进入光电接收器２。　到５％左右，说明了“猫眼”效应的存在，反射率与入射角度　采用对称双光路比较测量法，分束器的分光比为１：ｌ。　关系密切，基本上是垂直入射时反射率最高，角度越大反射　率越小。　标准全反镜、活动全反镜是同样的反射板、反射率为９９％。开　始时，先将活动全反镜送入测试台，这时Ａ光束、Ｂ光束分别　【参考文献】　入射到活动全反镜和标准全反镜上，被反射后分别进入光电　［１】赖晓霞，宋定熙．光电探测器表面反射特性研究Ｕ】．成都科技　接收器１和２。经光电接收器转换为电信号，再经放大、比较、　大学学报，１９９６，（５）：９３－９７．　调整电参数，使之输出相等。这样，光电接收器２接收的光　【２】饶觉陶，王小辉，沈明发．反光板（合作目标）反射率测量仪Ｕ】　．光学技术，１９９８，（６）：３５－３８．　通量可代表“猫眼”目标的入射光通量　，然后将活动全反　『３】苏文英．玻璃猫眼反射面研究Ｕ】．公路交通科　镜退出测试台，装入待测“猫眼”目标。这时光电接收器１　技，１９９７，（３）：５５－５９．　接收的光通量是“猫眼”目标的反射光通量　，则目标的反　【４］易亨瑜，吕百达．反射率测量技术研究的进展Ⅱ］．激光技　术，２００４，２８（５）：４５９－４６２．　（上接第７４页）薄，如果混凝土强度等级小于Ｃ２５，混凝土和　进行合理的抗震设计，才能确保其结构的安全可靠。　钢筋之间的粘结力不易保证；对于Ｃ５０以上的混凝土制成的异　形柱构件目前的科学研究相对较少，且Ｃ５０以上混凝土的力学　【参考文献】　性能及本构关系同一般混凝土存在较大差异。　【１】ＧＢ５００１卜２００１，建筑抗震设计规范【ｓ】．北京：中国建筑工业　（３）异形柱的最小肢厚应取２００ｍｍ，若小于这个限值梁　出版社，２００１．　柱节点核心区布置钢筋较为困难，会影响混凝土和钢筋之间　［２］容柏生．高层住宅中的短肢剪力墙结构【『】．建筑结构，　的粘结。同时，异形柱的最大肢厚不应超过３００ｍｍ。　１９９７（２）．　（五）结语　【３】ＪＧＪ１４９—２００６，钢筋混凝土异形柱结构技术规程［Ｓ】．北京：中　短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的市场需　国建筑工业出版社，２００６．　求，在设计中应根据其受力的特点，了解其破坏的机理，选　【４】唐丹．异形柱框架结构计算机辅助设计系统研究【Ｍ】．湖南　大学，２００４．　用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋，　一５８．