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小議短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算方法論文
摘要：現(xiàn)代住宅設(shè)計要求開間大，平面及房間布局靈活、方便，而且室內(nèi)不能見柱楞、不露梁等。在現(xiàn)行的國家規(guī)范或設(shè)計規(guī)程中還沒有給出有關(guān)異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，因此，工程設(shè)計人員在設(shè)計中常常無標(biāo)準(zhǔn)可循，這就需要設(shè)計人員擁有長期的經(jīng)驗積累，利用正確的經(jīng)驗進行設(shè)計。現(xiàn)通過對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)要素的分析，以期能夠為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供一些參考。
關(guān)鍵詞：異形柱；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計
隨著人們對住宅特別是高層住宅平面與空間使用功能的要求越來越高，原來普通框架結(jié)構(gòu)的露梁、露柱，普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴格限定與分隔，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“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，受到了工程設(shè)計人員的肯定，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)的簡要介紹
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長度為厚度的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。
對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，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算模型更符合實際情況，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，但對墻肢較長的短肢剪力墻應(yīng)該用空間桿-墻組元程序進行校核。
2短肢剪力墻的優(yōu)點
短肢剪力墻既保留了異形柱不凸出墻面的優(yōu)點，又克服了異形柱框架抗震性能不理想等缺點。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)成一個相對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成一致，易于實現(xiàn)；至于外圍部分，可以根據(jù)建筑的要求而定。因為住宅建筑對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)。在進行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除滿足高規(guī)中對結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個方面的問題：
�。�1）異形框架的計算。
由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應(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，按砼設(shè)計規(guī)范計算，特別是在框——剪，框——筒結(jié)構(gòu)中，對6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔(dān)水平風(fēng)載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。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)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進行內(nèi)力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件�，F(xiàn)在有一些軟件沒有異形柱截面形式，如要用它進行計算，要先進行等剛度等面積換算成矩形柱，進行整體分析，得到雙向內(nèi)力后再進行異形柱的截面設(shè)計，其工作量相當(dāng)大，且截面設(shè)計的可靠性不高。
�。�2）軸壓比控制。
對框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對于耗散地震能量，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關(guān)鍵指標(biāo)。
在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關(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，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。
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，就得通過轉(zhuǎn)換層來實現(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，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５層，避免高位轉(zhuǎn)換。
規(guī)范對框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴于普通柱�？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟的問題。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，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
建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、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，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂；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，因此遭受破壞嚴重，尤其是“一”字形小墻肢遭受的破壞會最嚴重；在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對減小，就會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)計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)更應(yīng)強化設(shè)計和強化抗震構(gòu)造。
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