高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计

2016-02-11詹忠锜

工程技术研究 2016年12期

关键词：短肢墙肢连梁

詹忠锜

（江苏南京热电工程设计院有限责任公司，江苏南京 211100）

高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计

詹忠锜

（江苏南京热电工程设计院有限责任公司，江苏南京 211100）

文章首先分析高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构的受力，在此基础上论述高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构的设计方法。期望通过研究能够对短肢剪力墙和异形柱结构在高层建筑中的推广应用有所帮助。

高层建筑；短肢剪力墙；异形柱

1 高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构的受力分析

1.1 短肢剪力墙的受力分析

当组合截面的高度一定时，如果洞口开的较大，则墙肢的截面高度较小且墙肢本身较弱，若是洞口开的较小，则墙肢较强。而墙肢为矩形截面且其上没有洞口开设时，可以达到最小值0.75。由此可见，能够使用值对短肢剪力墙墙肢的强弱程度进行鉴别。相关研究结果表明：墙肢处于较强的状态，而时，墙肢则处于较弱的状态，根据这一研究结果，可以判断为墙肢系数。通常情况下，主要与以下因素有关：楼层数、荷载形式、α的大小等，的值越小，说明墙肢越强，的值越大，则说明墙肢越弱。

（2）整体性系数（α）。在短肢剪力墙结构当中，α反映全部连梁总的转角刚度与全部墙肢的抗弯刚度的比值。α的值越大，墙肢越弱，连梁越强，在这种情况下的整体性较好；α的值越小，则表明墙肢越强，连梁越弱，此时的整体性相对较差。通过实验获得了如下数据，即α≥10为墙肢弱、连梁强，α≤10为墙肢强、连梁弱，两种情况下的墙肢与连梁强弱均是相对而言的。在墙肢弱连梁强的状态下，还包含了如下两种情况：①墙肢弱，梁比墙肢强；②墙肢本身强，但梁比墙肢更强。具体分析中，可以将一些因素对连梁的影响忽略不计，如刚域、轴向变形等，由此可以得出m列规则形状洞口的开洞剪力墙整体性系数。换言之，整体性系数α是所有连梁转角刚度和与所有墙肢线刚度和的比值，它所描述的是短肢剪力墙各个墙肢弯曲刚度与局部剪切刚度及整体弯曲刚度间关系的综合性指标[1]。

1.2 异形柱的受力分析

在高层建筑当中，异形柱结构具体是指截面形状为工字形、十字形、T形、Z形、L形的混凝土结构柱，通常情况下，异形柱的肢长与肢厚的比值应当≤4。

（1）力学特性。在等肢的前提条件下，L形异形柱的形心主轴方向为45°和135°，对应的惯性矩分别为最大和最小值。而T形异形柱的形心主轴方向为0°和90°，对应的惯性矩在其截面各方向上的最大和最小值。

（2）受力分析。异形柱而言的结构决定了其受力特点和抗震性能。没有对称轴或是仅有1～2根对称轴的异形柱，在不同的方向上的刚度有所不同；在双向压弯的受力状态下，异形柱的中和轴与弯矩作用平面基本不会出现垂直现象，也不会与截面边缘平行；当材料的强度、配筋率以及截面积全部相同时，T型截面上的双向压弯构件正截面的承载能力要高于L形异形柱[2]。

2 高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构的设计方法

2.1 短肢剪力墙的设计方法

（1）布设的基本原则。高层建筑在布设短肢剪力墙时，除了应当满足均匀、对称、连续等要求之外，还应当对如下事项加以注意：①短肢剪力墙的平面应当尽可能规则和简单，可以沿两个主轴的方向进行双向布设，同时这两个方向上的侧向刚度差应当控制在规范允许范围之内。在对短肢剪力墙进行抗震设计时，必须采用双向有墙的结构形式；②短肢剪力墙的侧向刚度应当尽量控制在合理的范围内，尽可能不要过大。较大刚度的剪力墙在高层建筑中均匀布置时，可以使其作用得以充分发挥，由此可以使建筑本身的重量有所减少，内部可利用空间会随之增大。为使结构具有适宜的侧向刚度，并出于经济性考虑，短肢剪力墙不宜布设的过于密集，只需要满足设计要求即可；③可按照建筑中开间的实际尺寸及楼板的跨度对墙肢间距进行合理取值，规范要求3～8m。如果墙肢的间距过小，则会造成结构的刚度过大，不利于抗震；④为防止竖向突变问题，布设短肢剪力墙时，确保其上下连续、贯通到顶，厚度可逐渐减小；⑤短肢剪力墙上的门窗洞口应当布设的规则、整齐，尽可能确保上下对齐，同时要保证墙肢与连梁构件之间的连接明确，洞口的大小尽量一致。抗震设计时，位于底部加强部位的洞口必须严格布设，其抗震等级应当为一、二、三级剪力墙，不宜采用错洞墙[3]；⑥当短肢剪力墙与平面外相交的楼面梁以刚接的方式进行连接时，可以沿着楼面梁轴线的方向布设与梁相连接的短肢剪力墙或是在墙体内部设置暗柱。此外，不宜将楼面主梁支撑在短肢剪力墙或是核心筒的连梁上；⑦高层建筑进行抗震设计时，剪力墙不得全部采用短肢形式，对此相关规范中有着非常严格的规定。对于不适宜设置短肢剪力墙的高层建筑结构而言，如抗震设防烈度为9度、高度在B级以上的，均不宜设置过多的短肢剪力墙。如果主结构当中的短肢剪力墙数量过多，会影响结构的抗震性能，具体设计时必须对此予以注意。

2.2 异形柱的设计方法

虽然目前相关的技术已经较为成熟，但是想要对某个区域的地震作用进行计算精确还存在一定的难度。如果高层建筑中采用异形柱结构体系，因其力学性质比较特殊，具体设计时，应当选择适宜的方法。通过对以往成功的案例进行分析总结，并依据现行的规范标准，提出高层建筑中异形柱的一些设计方法。

（1）平面布置。在相对独立的结构单元当中，异形柱应当采用双向布置的方式，结构的平面形状应当尽可能规则、对称，刚度的分布应当均匀，同时要保证质量。此外，要尽可能使建筑内房屋的质量中心与异形柱的刚度中心相重合，这样可以有效减小扭矩带来的不利影响，避免扭矩效应的产生。具体做法如下：对结构布设的非均匀性进行限制，防治结构过大偏心的产生，同时，结构本身的抗扭刚度不宜过弱。

（2）竖向布设。在对异形柱结构体系进行布设的过程中，确保其竖向的质量部分与刚度变化均匀。外挑和内收均不可过大，以免引起结构质量或是刚度突变的问题发生，进而引起薄弱层苏醒变形集中的问题。

（3）抗震等级是确定结构构件抗震措施的主要标准之一。现行规范将其分为四个等级，因异形柱的结构性能较为特殊，在充分考虑建筑高、地震反应大的情况下，必须对异形柱结构的抗震等级进行合理确定，具体可按照建筑结构的类型、房屋高度以及抗震烈度等指标进行确定[4]。

（4）轴压比。在影响结构延性的指标中，轴压比是较为重要的指标。我国现行的GB50011规范中对轴压比进行了限制，这样做的主要原因是位移轴压比会随着延性轴压比的增大而减小。如果受压区域的高度较小，则可能导致偏心破坏，所以必须通过相关计算合理确定最大轴压比限值。