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小議短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法論文
摘要：現(xiàn)代住宅設(shè)計(jì)要求開間大，平面及房間布局靈活、方便，而且室內(nèi)不能見(jiàn)柱楞、不露梁等。在現(xiàn)行的國(guó)家規(guī)范或設(shè)計(jì)規(guī)程中還沒(méi)有給出有關(guān)異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，因此，工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常常無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循，這就需要設(shè)計(jì)人員擁有長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，利用正確的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)通過(guò)對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)要素的分析，以期能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供一些參考。
關(guān)鍵詞：異形柱；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
隨著人們對(duì)住宅特別是高層住宅平面與空間使用功能的要求越來(lái)越高，原來(lái)普通框架結(jié)構(gòu)的露梁、露柱，普通剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)建筑空間的嚴(yán)格限定與分隔，已不能滿足人們對(duì)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(diǎn)，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“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”型式。這種新的結(jié)構(gòu)由于在很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，受到了工程設(shè)計(jì)人員的肯定，并更得到了廣大住戶與房屋開發(fā)商的歡迎。
1短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異形柱結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要介紹
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長(zhǎng)度為厚度的5～8倍剪力墻結(jié)構(gòu)，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型等。
對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)考慮其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同�？刹捎萌S桿-系簿壁柱空間分析方法或空間桿-墻組元分析方法，其中空間桿墻組元分析方法計(jì)算模型更符合實(shí)際情況，精度較高。雖然三維桿-系簿壁柱空間分析程序使用較早、較廣，但對(duì)墻肢較長(zhǎng)的短肢剪力墻應(yīng)該用空間桿-墻組元程序進(jìn)行校核。
2短肢剪力墻的優(yōu)點(diǎn)
短肢剪力墻既保留了異形柱不凸出墻面的優(yōu)點(diǎn)，又克服了異形柱框架抗震性能不理想等缺點(diǎn)。由于住宅需求的增加和用于建造住宅的土地供應(yīng)緊張，高層住宅的建造成為眾多開發(fā)商的首選。與普通的剪力墻相比短肢剪力墻門窗洞口更大，可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風(fēng)要求，增加使用面積，造價(jià)更低，且結(jié)構(gòu)自重更小。這種結(jié)構(gòu)體系通常都是利用中部的豎向通道區(qū)設(shè)置較多的剪力墻，共同組成一個(gè)較為完整的或基本完整的筒體。也可以將由豎向交通區(qū)所構(gòu)成的混凝土筒設(shè)置在結(jié)構(gòu)外邊，而靠中間的樓梯間可用混凝土剪力墻構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的半開放的筒體。這一部分的結(jié)構(gòu)布置與建筑平面的劃分較容易達(dá)成一致，易于實(shí)現(xiàn)；至于外圍部分，可以根據(jù)建筑的要求而定。因?yàn)樽≌ㄖ䦟?duì)平面的劃分要求比一般的商業(yè)建筑、辦公建筑以及旅館建筑要求更高，房間的頂板不宜有梁，墻角不宜有柱子突出，所以住宅建筑通常都在核心筒的外圍布置混凝土剪力墻。而且，短肢剪力墻在建筑上起到對(duì)建筑平面的分隔作用，在結(jié)構(gòu)上既可以承受豎向荷載，又可以抵抗水平地震的破壞力。
3短肢剪力墻結(jié)構(gòu)及其計(jì)算
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。其計(jì)算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足高規(guī)中對(duì)結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：
�。�1）異形框架的計(jì)算。
由于其截面的特殊性，在柱截面對(duì)稱軸內(nèi)受水平力作用時(shí)，彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按砼設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，特別是在框——剪，框——筒結(jié)構(gòu)中，對(duì)6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地，框架柱只承擔(dān)水平風(fēng)載的一小部分，如按一般偏壓柱計(jì)算，誤差較小。此時(shí)異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進(jìn)行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，宜選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件。現(xiàn)在有一些軟件沒(méi)有異形柱截面形式，如要用它進(jìn)行計(jì)算，要先進(jìn)行等剛度等面積換算成矩形柱，進(jìn)行整體分析，得到雙向內(nèi)力后再進(jìn)行異形柱的截面設(shè)計(jì)，其工作量相當(dāng)大，且截面設(shè)計(jì)的可靠性不高。
（2）軸壓比控制。
對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。
在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對(duì)提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對(duì)柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對(duì)異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。
4短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱
在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業(yè)用房需較大空間，就得通過(guò)轉(zhuǎn)換層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。
框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變，內(nèi)力的傳遞僅轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)換層下部的’框支’結(jié)構(gòu)易于開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗震。高烈度區(qū)（９度及９度以上）不應(yīng)采用；８度區(qū)可以采用，但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度，可考慮不宜超過(guò)３層；７度區(qū)可適當(dāng)放寬限制。因此，建議在６度抗震設(shè)防區(qū)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜超過(guò)５層，避免高位轉(zhuǎn)換。
規(guī)范對(duì)框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱�？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題。根據(jù)圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高（如高位轉(zhuǎn)換）時(shí)，除轉(zhuǎn)換層附近樓層的內(nèi)力較復(fù)雜外，下面的結(jié)構(gòu)受到的影響很小，應(yīng)與普通框架結(jié)構(gòu)基本一樣，不必按框支柱處理。
5短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì)
建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂；在地震力度作用下短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢截面面積小而且承受的豎向荷載較大，因此遭受破壞嚴(yán)重，尤其是“一”字形小墻肢遭受的破壞會(huì)最嚴(yán)重；在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對(duì)減小，就會(huì)使連梁受剪破壞的可能性增加。所以，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)更應(yīng)強(qiáng)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)化抗震構(gòu)造。
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