卓越维港名苑别墅异形柱与短肢剪力墙结构设计

摘 要：卓越维港名苑联排别墅为深圳市高档别墅群，主体结构地下一层，地上三层，局部地上4层。为满足建筑对平面和空间的要求，本项目采用异形柱与短肢剪力墙结合的框剪结构，本文对设计中的一些问题，如计算方法、受力性能及其轴压比控制等进行探讨，提出建议，供结构设计人员参考。

关键词：异形柱；短肢剪力墙；结构设计

近年来，随着经济快速发展，人们对住宅平面与空间的要求也越来越高。框架结构往往因柱楞突出隔墙，妨碍美观，影响使用效果。而一般剪力墙结构，对于房屋高度不太大的小高层建筑、别墅，会造成刚度过大，重量增加，导致地震反应过强，使得上部结构和基础造价提高。为了避免上述缺陷，以一般剪力墙结构为基础，吸取框架结构的优点，使结构刚度调整到适宜，因此，异形柱与短肢剪力墙结构能较好的满足要求。

1 工程概况

卓越维港名苑项目北区位于深圳市南山区蛇口东填海区，由4栋高层住宅，1栋联排别墅及2栋多层住宅组成。设计使用年限50年，抗震设防烈度为7度，设计地震加速度分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，场地土类别Ⅱ类。其中联排别墅为地下一层地上三层，局部四层的框剪结构。

根据本工程特点，从建筑功能、结构抗震性能、工程造价等方面考虑，结构布置采用异形柱与短肢剪力墙结合的框剪结构。异形柱采用肢长600，柱肢厚度200的L型异形柱，短肢剪力墙采用200×1000～1400的一字型剪力墙。

由于地下车库局部架空，层高7.5m，车库部分在负一层布置了普通框架柱，二层以上转换为异形柱。平面布置中，异形柱和短肢剪力墙均采用均匀对称布置以减小偏心，使剛度和承载力分布均匀。

目前，现行国家规范或规程中已有关于混凝土异形柱结构的技术规程，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010也对短肢剪力墙结构的设计作出了规定。本文旨在对异形柱与短肢剪力墙结构设计中的一些问题进行探讨，提出个人看法，供结构设计人员参考。

2 异形柱结构型式及其计算

异形柱是指截面几何形状为L型、T型或十型，且各肢最小截面宽度小于300mm的柱。异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于4，且肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。由于异形柱截面形心往往与柱肢中轴线不重合，在水平荷载作用下，水平力通过与柱肢等宽的框架梁传至柱肢中轴线上，使柱双向偏心受压，并产生扭转力矩。对于L形柱，在柱肢轴线不通过柱截面弯曲中心的情况下，由于弯曲扭转力矩的作用，柱截面产生扇性剪应力及扇性垂直应力（翘曲应力），因此，整体计算分析时，须按空间体系考虑和采用弹性方法。

在本工程中，我们采用PKPM系列之《多高层空间有限元分析软件SATWE》进行结构分析，计算精度较高。在使用SATWE计算时，应注意以下参数选择：①框架抗震等级：7度区H≤22mm时为三级抗震。②梁柱刚性连接，电算时应注意：由于混凝土异形柱的柱肢较长，梁柱重叠部分较大，因此须点取“梁柱重叠部分作为刚域”进行计算。③柱双偏压：异形柱是双偏压杆件，须采用双偏压计算。④调整系数：现浇结构中梁刚度放大系数2.0，边梁刚度放大系数1.5，框架结构周期折减系数0.6～0.7。⑤对全楼强制采用刚性楼板假定。

3 异形柱的受力性能及其轴压比控制

异形柱的延性比普通矩形柱的差。轴压比、高长比（即柱净高与截面肢长之比）是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。异形柱的延性比普通矩形柱的差，作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，同时避免高长比小于4（短柱）。控制柱截面轴压比的目的，在于要求柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。《混凝土异形柱结构规程》JGJ149-2006中6.2.2条也对异形柱的轴压比限值做了明确规定。

4 短肢剪力墙结构及其计算

短肢剪力墙是指墙肢截面高度为厚度的5～8倍的剪力墙。和一般剪力墙相比，短肢剪力墙的优点在于：

（1）墙肢较短，布置灵活，可调整性大，容易满足建筑平面的要求。

（2）减少剪力墙而代之以轻质砌体，结构自重相应减轻，从而减小结构整体刚度，增大振动周期，降低地震作用力。

（3）墙肢高宽比较大，延性较好，对抗震有利。

（4）墙肢的承载力得到较充分发挥。

对短肢剪力墙结构的设计计算，基本上与普通剪力墙结构分析相同，可采用三维杆——系簿壁柱空间分析方法（TBSA、TAT）或空间杆——墙组元分析方法（TBSSAP、SATWE）。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。目前国内大多采用中国建研院系列软件中的TAT和SATWE来计算。

本工程所采用的计算程序SATWE是专门为多高层建筑结构分析而研发的空间组合结构有限元分析软件，适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土结构体系计算。SATWE是以壳元理论为基础构造一通用的超单元墙元为模拟剪力墙，它不仅具有平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟剪力墙的受力状态。而且墙元的每个节点都具有空间6个自由度，可方便地与任意空间梁柱单元连接，无需任何附加约束。SATWE给楼板4种简化假定，即假定楼板整体平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚带弹性连接板带和弹性楼板。

5 短肢剪力墙结构设计应注意的问题

（1）严格控制短肢墙的轴压比，尤其是无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙。目前，根据国内外研究结果，在承受压弯作用的剪力墙中，当处于小偏压状态时，墙的延性较差。不仅如此，即使在大偏压状态下，若轴压比较大，混凝土受压区的边缘应力很高，如果混凝土没有约束或约束不够，可能混凝土先达到极限压应变，出现竖向裂缝，甚至压碎，使构件丧失变形能力和承载能力。因此，在设计时，应严格控制短肢墙的轴压比，以保证短肢墙的延性。

（2）应采取三维计算方法进行结构的动力特性分析和杆件内力计算。这时对于竖向构件又有薄壁杆模型与墙元模型，前者是一种简化模型，但精确度较低；后者是板元与膜元的组合，是一种高精度力学模型。

（3）由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防。

（4）各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近；抗震设计中，简体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部地震倾覆力矩的50%，必要时也可以通过增加长肢墙的方法调整刚度中心位置。

（5）小高层住宅在设计时，为避免连梁剪切破坏先于弯曲破坏，应满足强剪弱弯的要求；不宜采用窗下墙作为连梁，因为窗下墙高度很大，形成刚度很大的剪切块，不利于结构的抗震设计，所以，宜将连梁设计成为截面、刚度较小的弱连梁。

6 结 语

作为框架结构和剪力墙结构体系的分支，异形柱和短肢剪力墙结构由于结构布置方面的灵活性，在别墅及小高层住宅结构设计中已被广泛采用。结构设计中应结合住宅特点，运用抗震概念设计的原则，采取有效的抗震措施，注重细部设计，从而做到结构设计安全、经济、适用。

作者简介：文静，女。