摘要:基于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異形柱框架結(jié)構(gòu)工程實踐基礎(chǔ)上,論述兩種結(jié)構(gòu)形式的受力特點,并分析了各自的結(jié)構(gòu)計算、構(gòu)造等相關(guān)問題。
關(guān)鍵詞:異形柱結(jié)構(gòu) 短肢剪力墻機構(gòu) 設(shè)計
一、異型柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點
1.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)稱為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。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。 這種結(jié)構(gòu)型式的特點是:①結(jié)合建筑平面,利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件,基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾;②墻的數(shù)量可多可少,肢長可長可短,主要視抗側(cè)力的需要而定,還可通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置;③能靈活布置,可選擇的方案較多,樓蓋方案簡單;④連接各墻的梁,隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi),可隱蔽;⑤根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要,利用中心剪力墻,形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件,較易滿足剛度和強度要求。
2.異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2~4,相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻,常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。這種結(jié)構(gòu)的特點是:①由于截面的這種特殊性,使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大,導(dǎo)致各向剛度不一致,其各向承載能力也有較大差異;②對于長柱可以不考慮剪切變形的影響,控制軸壓比較小時,受力明確,變形能力較好。而對短柱,剪切變形占有相當(dāng)比例,構(gòu)件變形能力下降。③異形柱由于是多肢的,其剪切中心往往在平面范圍之外,受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力,這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力,而該剪應(yīng)力的存在,使柱肢易先出現(xiàn)裂縫,也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài),它使得異形柱較普通截面柱變形能力低,脆性破壞明顯;④特別是異形柱不同于矩形柱,它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況,其延性更差。由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析,異形柱的破壞形態(tài)為:彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等。
二、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
1.剪力墻結(jié)構(gòu)布置
宜沿主軸方向雙向或多向布置,不同方向的剪力墻宜聯(lián)結(jié)在一起,應(yīng)盡量拉通、對直;抗震設(shè)計時,宜使兩個方向側(cè)向剛度接近;剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則。剪力墻布置不宜太密,使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度;若側(cè)向剛度過大,不僅加大自重,還會使地震力增大。剪力墻宜自下到上連續(xù)布置,避免剛度突變。剪力墻長度較大時,可通過開設(shè)洞口將長墻分成若干均勻的獨立墻段。墻段的長度不宜大于8m。剪力墻的門窗洞口宜上下對齊,成列布置。宜避免使用錯洞墻和疊合錯洞墻。當(dāng)剪力墻與平面外方向的梁連結(jié)時,可加強剪力墻平面外的抗彎剛度和承載力;或減小梁端彎矩的措施。高層結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度應(yīng)適當(dāng)降低。
2.剪力墻結(jié)構(gòu)平面協(xié)同工作分析
在豎向荷載作用下,各片剪力墻承受的壓力可近似按各肢剪力墻負荷面積分配;在水平荷載作用下,各片剪力墻承受的水平荷載可按結(jié)構(gòu)平面協(xié)同工作分析。即研究水平荷載在剪力墻之間分配問題的一種簡化分析方法。實際上,當(dāng)房屋的體型比較規(guī)則,結(jié)構(gòu)布置和質(zhì)量分布基本對稱時,為簡化計算,通常不考慮扭轉(zhuǎn)影響。
三、異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
1.異形框架計算
組成異形柱結(jié)構(gòu)體系的截面形式較多,故做整體分析時,宜采用三維分析。對于肢高肢寬比不大于4的異形柱,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,而對于在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用較大,或水平力在非主軸方向時,彈性分析計算翹曲應(yīng)力不容忽視,按平界面假定誤差較大,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。
2.截面選取
框架梁截面高度可按(1/10~1/15)lb確定(lb為計算跨度),且非抗震設(shè)計時不宜小于350mm;抗震設(shè)計時不宜小于400mm。梁的凈跨與截面高度的比值不宜小于4。梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4和200mm。異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm,肢高不應(yīng)小于500mm。柱兩肢的肢高比不宜超過1.6,且肢厚相差不大于50mm,柱截面各肢的肢高肢厚之比控制在不大于4的范圍。
3.配筋構(gòu)造
在正確的結(jié)構(gòu)選型及計算后,截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點,柱端部分會出現(xiàn)較大應(yīng)力,加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻,一般越靠近肢端應(yīng)力越大,對柱肢形成偏心壓力,進一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時,外排鋼筋由計算而定,且配筋率不應(yīng)小于全截面面積2%,柱肢中部應(yīng)設(shè)構(gòu)造鋼筋,拉筋間距同箍筋,柱中構(gòu)造鋼筋間距不應(yīng)大于200 mm,這樣做可限制柱肢的混凝土裂縫的開展,提高異形柱局部抗剪強度及變形能力。
4.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。柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。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。
當(dāng)高層建筑的高度進一步加大時,其水平力的影響會愈來愈顯著,對結(jié)構(gòu)的延性要求也愈高。作為異形柱延性的保證措施,必須嚴格控制軸壓比,同時避免高長比小于4(短柱)?刂浦孛孑S壓比的目的,在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸,以防止出現(xiàn)小偏壓破壞,提高柱的變形能力,滿足抗震要求。
5.節(jié)點域抗剪
在較高設(shè)防烈度抗震設(shè)計的異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度確定中,框架的節(jié)點核心區(qū)受剪承載力起主要控制作用。由于截面尺寸較窄,故受剪承載力較低;因而房屋的最大高度相對較低,所以軸壓比就不如節(jié)點核心區(qū)受剪承載力突出了;由恒載和活載引起的單位面積重力的影響,使得結(jié)構(gòu)高度適當(dāng)降低;異形柱截面形式的影響,L形柱軸壓比限值和節(jié)點核心區(qū)受剪承載力均低于T形和十形,故結(jié)構(gòu)中L形柱較多時,結(jié)構(gòu)高度應(yīng)適當(dāng)降低。
6.混凝土強度
因異形柱結(jié)構(gòu)中的截面尺寸較小(肢厚),故節(jié)點核心區(qū)對于混凝土的施工要求更為嚴格,《規(guī)范》規(guī)定混凝土強度等級不應(yīng)低于C25,不應(yīng)高于C40.
7.異形柱結(jié)構(gòu)的施工重點
異形柱柱肢是由兩個相互正交的柱肢組成,柱肢厚度小(一般為200~250mm),而肢較長(一般為500~800mm),鋼筋較為密集,且混凝土澆筑困難,保證鋼筋安裝位置,特別是梁柱縱向受力鋼筋安裝位置準確,滿足驗收《規(guī)范》合理偏差要求,以保證結(jié)構(gòu)混凝土的強度等級符合要求。
四、結(jié)語
“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”和“異形柱框架結(jié)構(gòu)”形式在現(xiàn)代建筑行業(yè)中已成為了很關(guān)鍵的一種形式,隨著用戶們對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求的提高, 這兩種新的結(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,受到了建筑師的肯定,未來建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中兩種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用的層面也將越來越深。
參考文獻:
[1]陳野平.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析及工程實例[D].合肥工業(yè)大學(xué),2011.DOI:10.7666/d.y1886172.
[2]李薇薇,張繼春.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計及其質(zhì)量控制[J].中小企業(yè)管理與科技,2009,(31):139-140.DOI:10.3969/j.issn.1673-1069.2009.31.124.