受力分析
短肢剪力牆與異形柱結構受力分析與設計
異形柱隨著人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，原來普通框架結構的露梁露柱、普通剪力牆結構對建築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。於是在原有剪力牆的基礎上，吸收了框架結構的優點，逐步發展形成了能適應人們新的住宅觀念的高層住宅結構型式，即“短肢剪力牆結構”和“異形柱框架結構”型式。
1 短肢剪力牆結構
短肢剪力牆結構是指牆肢的長度為厚度的5-8倍剪力牆結構，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型。
這種結構型式的特點是：
①結合建築平面，利用間隔牆位置來布置豎向構件，基本上不與建築使用功能發生矛盾；
②牆的數量可多可少，肢長可長可短，主要視抗側力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調整剛度中心的位置；
③能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單；
④連線各牆的梁，隨牆肢位置而設於間隔牆豎平面內，可隱蔽；
⑤根據建築平面的抗側剛度的需要，利用中心剪力牆，形成主要的抗側力構件，較易滿足剛度和強度要求。
對短肢剪力牆結構的設計計算，因其是剪力牆大開口而成，所以基本上與普通剪力牆結構分析相同，可採用三維桿-系簿壁柱空間分析方法或空間桿-牆組元分析方法，前者如建研院的TBSA、TAT，廣東省建築設計院的廣廈CAD的SS模組，後者如建研院的TBSSAP、SATWE，清華大學的TUS，廣東省建院的SSW等。其中空間桿牆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-簿壁柱空間分析程式使用較早、套用較廣，但對牆肢較長的短肢剪力牆，應該用空間桿-牆組元程式進行校核。
在進行以上分析後，按《高層建築結構設計與施工規範》進行截面與構造設計，相對於異形柱結構，短肢剪力牆結構的理論與實踐較為成熟，但這種結構在結構設計中仍然有需要引起重視的方面。
（1）由於短肢剪力牆結構相對於普通剪力牆結構其抗側剛度相對較小，設計時宜布置適當數量的長牆，或利用電梯，樓梯間形成剛度較大的內筒，以避免設防烈度下結構產生大的變形，同時也形成兩道抗震設防；
（2）短肢剪力牆結構的抗震薄弱部位是建築平面外邊緣的角部處的牆肢，當有扭轉效應時，會加劇已有的翹曲變形，使其牆肢首先開裂，應加強其抗震構造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率；
（3）高層短肢剪力牆結構在水平力作用下，顯現整體彎曲變形為主，底部外圍小牆肢承受較大的豎向荷載和扭轉剪力，由一些模型試驗反映出外周邊牆肢開裂，因而對外周邊牆肢應加大厚度和配筋量，加強小牆肢的延性抗震性能。短肢牆應在兩個方向上均有連線，避免形成孤立的“一”字形牆肢；
（4）各牆肢分布要儘量均勻，使其剛度中心與建築物的形心儘量接近，必要時用長肢牆來調整剛度中心；
（5）高層結構中的連梁是一個耗能構件，在短肢剪力牆結構中，牆肢剛度相對減小，連線各牆肢間的梁已類似普通框架梁，而不同於一般剪力牆間的連梁，不應在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調，使其設計內力降低，應按普通框架梁要求，控制砼壓區高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調幅70%-80%來解決，按強剪弱彎，強柱弱梁的延性要求進行計算。
2 異形柱結構
異形柱結構是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對於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牆，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。
這種結構的特點是：
①由於截面的這種特殊性，使得牆肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；
②對於長柱（H/h>；4）可以不考慮剪下變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h<；4），剪下變形占有相當比例，構件變形能力下降。異形柱通常在短柱範圍，且屬薄壁構件，即使發生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu為砼的極限壓應變，χ為截面受壓區高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；
③異形柱由於是多肢的，其剪下中心往往在平面範圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協調變形和內力，這種變形協調使各柱肢記憶體在相當大的翹曲應力和剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現裂縫，也使得各肢的核心砼處於三向剪力狀態，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；
④特別是異形柱不同於矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內外大量的試驗資料和理論分析，異形柱的破壞形態為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態的因素有：荷載角、軸壓比、柱淨高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由於其受力性能的複雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。
目前，異形柱結構設計還沒有統一的國家規範，僅有兩部地方性法規，即廣東省標準DBJ/T15-15-95和天津市標準DB29-16-98可供參考。
在進行異形柱結構設計時，除滿足高規中對結構布置要求外，還應注意幾個方面的問題：
（1）異形框架的計算
由於其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按砼設計規範計算，特別是在框——剪，框——筒結構中，對6度及其以下烈度區的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，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後由程式進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結構進行有限元分析，決定內力和配筋位置及大小。在進行內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體。現在有一些軟體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，得到雙向內力後再進行異形柱的截面設計，其工作量相當大，且截面設計的可靠性不高。目前，國內可直接進行異形柱截面內力計算和截面設計的軟體有建研院的TAT、SATWE程式，廣東省建院的SS、SSW程式以及天津大學的鋼筋砼異形柱結構配筋計算程式CRSC.這些程式均用數值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經過大量工程校算，能有效地滿足結構安全性要求。
（2）軸壓比控制
對框架結構，框-剪結構，柱的延性對於耗散地震能量，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鍵指標。由試驗結構分析，柱的側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重要，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使砼柱肢先於普通矩形壓剪構件出現裂縫，產生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低於矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。
在廣東規程中，其軸壓比按砼設計規範中的要求減少0.05，但其適用高度較低，一般為35 m.當高層建築的高度進一步加大時，其水平力的影響會愈來愈顯著，對結構的延性要求也愈高。由天津大學土木系對異形柱延性資料可知，影響異形柱延性的因素比普通柱要複雜，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平側移下，其延性性能也有較大差異，因而，軸壓比控制應參考天津規程。但天津規程的控制過於繁鎖，在結構計算中，柱的縱筋與箍面的直徑還沒有設定，因而箍筋間距與縱筋直徑的比值還無法確定。為在實際工作中便於使用，可按不同的截面形式（L、T、十字型）與不同的抗震等級兩項指標從嚴控制，對低烈度地區的這類結構是能夠滿足其延性要求的。
（3）配筋構造
在正確的結構選型及計算後，截面內鋼筋的構造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由於異形柱截面的特點，柱肢端部會出現較大應力，加上樑作用於柱肢上應力的不均勻，一般越靠肢端應力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大肢端壓應力。因而在異形柱配筋時，應在肢端設暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。離端部厚度範圍內設2Ф14的構造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由於不易形成多肢複合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。
總之，短肢剪力牆結構與異形柱框架結構有著較大的市場需求，在設計中根據其受力的特點，充分了解其破壞的各種機理，選用合理的結構形式，正確掌握計算機分析方法和截面配筋，其結構才能有可靠的安全保證。
圖紙
短肢剪力牆
短肢剪力牆