異形柱結(jié)構(gòu)設計研究論文論文
摘要：本文詳細闡述了異形柱框架的受力特點，對設計實際工程中異形柱結(jié)構(gòu)的分析計算、構(gòu)造措施等方面進行了探討，并給出成功的工程設計實例。
關鍵詞：異形柱；框架
1前言
近年來，異形柱框架或異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種全新的結(jié)構(gòu)形式廣泛用于小高層住宅建筑中，相對于傳統(tǒng)的短肢剪力墻或框架結(jié)構(gòu)，能更好的滿足建筑需求且造價略有降低，因此具有更好的經(jīng)濟效益和社會效益。該結(jié)構(gòu)形式一般指同層內(nèi)異形柱數(shù)量超過柱總數(shù)量10％的框架或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，適用抗震設防烈度為6度或7度的地區(qū)。
2受力特點
異形柱是指柱截面擯棄了慣用的矩形柱，而采用多個小墻肢的組合截面柱子，由剪力墻演變而來。柱肢截面中各肢高厚比不大于4，常用的有L形、T形和十形，亦有采用Z形。柱肢寬度一般使用與墻體相同的厚度，一般為200～250mm，不大于300mm。肢長較大，《規(guī)程》規(guī)定不小于500mm，一般為600～800。除此之外，不等肢異形柱肢高比一般不超過1.6，各肢截面厚度不能相差過大。
雖然異形柱由剪力墻演變而來，但由于柱截面本身的特殊性，異形柱結(jié)構(gòu)的受力特點既不同于剪力墻結(jié)構(gòu)，也與普通框架相差很大，具有自己的獨特性，在荷載作用的結(jié)構(gòu)反應更加復雜。國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析證明，異形柱的破壞形態(tài)有：彎曲破壞、小偏壓破壞、剪壓破壞等，影響破壞形態(tài)的因素主要有：荷載角、軸壓比、剪跨比、配箍率等。
2．1整體計算分析
異形柱的存在和不同的布置對結(jié)構(gòu)整個抗側(cè)力剛度影響很大，總體來講相對于同樣布置的同截面矩形柱結(jié)構(gòu)，異形柱結(jié)構(gòu)的整體性要好，剛度略由增強；而單結(jié)構(gòu)形式來講，異形柱結(jié)構(gòu)的剛度介于普通框架和框架剪力墻之間。文獻[2]對8度區(qū)－6層住宅分別采用矩形柱和異形柱框架進行設計，然后分別采用SATWE和CRSC程序?qū)Ρ确治觯Y(jié)果表明在地震作用下異形柱結(jié)構(gòu)的底部剪力要比矩形柱框架結(jié)構(gòu)大16％～26％左右，各層柱的平均剪力和節(jié)點剪力也比矩形柱框架大很多。異形柱結(jié)構(gòu)的受力特點介于普通框架柱和剪力墻之間，結(jié)構(gòu)的抗震性能比較差，在內(nèi)力分析計算時，既不能完全按普通框架柱，也不能完全照搬短肢剪力墻。
根據(jù)規(guī)范要求，對于矩形柱結(jié)構(gòu)，當無斜向抗側(cè)力構(gòu)件時，結(jié)構(gòu)設計的地震作用方向一般取工程縱橫軸方向，即0°和90°以此來求得地震作用下的`結(jié)構(gòu)內(nèi)力，正截面承載力兩個方向分別按單偏壓計算配筋，其承載力基本上可以包絡地震作用沿其他方向的情況。但對于異形柱，由于截面慣性矩沿不同方向差別很大，地震作用下柱受力的最不利方向不一定0°或90°，也就是說僅沿該兩個方向計算的正截面配筋并不能完全包絡地震作用沿其他方向時的情況，尤其在高烈度地區(qū)體現(xiàn)得更顯著。對此，《規(guī)程》強制規(guī)定，7度及以上時地震作用尚應對與主軸成45°方向進行補充驗算。
考慮到受力后異形柱結(jié)構(gòu)反應復雜，抗震性能不好，為符合“三水準兩階段”的抗震設計思路，地震作用計算后梁柱的內(nèi)力調(diào)整都相對要求更嚴格些。對此，目前國內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)設計軟件PKPM并沒有體現(xiàn)出來，雖然可以建立異形柱的模型，但尚未增加異形柱這種結(jié)構(gòu)形式。其內(nèi)部的內(nèi)力調(diào)整和截面配筋計算仍然按照矩形柱或者短肢剪力墻的模式進行的，這難免會帶來誤差，有時可能相差甚遠。天津大學開發(fā)的異形柱設計軟件CRSC尚未普及。
目前很多設計都是把異形柱作為短肢剪力墻，按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)利用PKPM等空間軟件進行分析設計，誤差大在所難免。相對精確的設計方法是：假設梁柱節(jié)點與普通框架梁柱節(jié)點相同，按等主軸剛度及等截面面積兩個條件把異形柱截面轉(zhuǎn)化成等效矩形柱截面，利用空間有限元分析程序進行內(nèi)力分析，求出柱的內(nèi)力重新按照有關異形柱截面的配筋計算公式進行截面配筋驗算。但這種等效轉(zhuǎn)化后的計算模型仍與實際結(jié)構(gòu)有較大出入，由于異形柱肢長比較大，與梁相交時梁柱重疊部分較大，形成類似與壁式框架的梁柱剛域，梁的計算長度大大減小，實際結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比計算模型大，導致地震力計算偏于不安全，文獻[3]對柱內(nèi)力在程序計算結(jié)果的基礎上乘以約1.1的放大系數(shù)或者加大周期折減度以適當考慮其影響。但這也是權宜之計，且對于普通設計人員來講過于費時費力，不利于提高效率。
2．2正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力
柱肢截面的差異，導致柱肢平面內(nèi)外兩個方向的截面特性相差較大，異形柱截面在軸壓力及彎矩剪力共同作用下，正截面承載力的計算是一個十分復雜的問題，因為柱截面中和軸一般不與彎矩作用平面相垂直，也不與截面邊緣平行，其位置隨截面尺寸、混凝土強度、配筋率及荷載角等諸多因素的變化而變化。進而導致柱肢平面內(nèi)外兩個方向的慣性矩差異明顯，進而側(cè)向剛度相差較大，對不等肢的截面表現(xiàn)尤甚。因此普通柱正截面抗彎驗算的計算公式并不適用于異形柱，《規(guī)程》將異形柱截面劃分為有限個混凝土單元和鋼筋單元，仍然采用平截面假定給出了雙向偏壓的正截面承載力驗算公式。
由于多肢的存在，其截面的剪力中心往往在截面外，受力后主要依靠柱肢交點處的核心混凝土協(xié)調(diào)變形和傳遞內(nèi)力，導致各柱肢內(nèi)存在相當大的剪應力和翹曲應力，柱肢易首先出現(xiàn)裂縫，核心混凝土處于三向受剪狀態(tài)，變形能力降低，脆性破壞特征明顯。
異形柱的斜截面受剪承載力也隨荷載作用方向而變化，但對同一方向的地震作用由于翼緣的有利作用，通常比等面積矩形柱高，文獻[4]表明，T形截面柱的受剪承載力至少為同截面面積矩形柱的1.15倍，L形柱則基本相同。
2．3節(jié)點強度
普通框架只要梁柱截面滿足規(guī)范構(gòu)造要求，節(jié)點核心區(qū)面積大，除二級或更高抗震等級的節(jié)點外，一般不需要特別進行節(jié)點抗剪驗算。但異形柱框架的肢厚不大，節(jié)點核心區(qū)有效水平截面積小。另外，異形柱由于軸壓比的要求，通常肢長較大，相對同截面面積的矩形柱來講，剛度大，地震作用大，相應的節(jié)點剪力比相同布置下(柱面積相等)的矩形柱結(jié)構(gòu)大很多。因此異形柱框架節(jié)點一般都需要驗算節(jié)點抗剪強度。同時，異形柱肢厚度偏薄，節(jié)點斜壓機制引起的核心區(qū)斜壓力相對較大，鋼筋握裹性能差，施工質(zhì)量的可靠性也難以滿足。
異形柱截面形式的不同，其節(jié)點受剪承載力也差別較大。十形截面柱的翼緣布置在節(jié)點截面中間受力最大的部位，翼緣的作用得以充分發(fā)揮，節(jié)點受剪承載力與同截面面積的矩形柱相差不大，T形截面次之，L形相差最大，受剪承載力下降最大。文獻[5]研究表明：L形、T形、十形柱節(jié)點的受剪承載力比具有相同有效截面的矩形柱節(jié)點分別低33％、17.5％、8％左右，且用于矩形柱框架節(jié)點抗剪驗算的公式已不適用于異形柱節(jié)點。在高烈度地區(qū)控制異形柱結(jié)構(gòu)適用高度的參數(shù)已不單單是柱軸壓比，而是節(jié)點區(qū)的強度。
3構(gòu)造措施
異形柱的受力情況復雜，結(jié)構(gòu)延性相對較差，單純依靠目前的程序計算配筋尚難滿足結(jié)構(gòu)抗震的延性要求，因此必須加強構(gòu)造措施，從概念出發(fā)，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度。
3．1結(jié)構(gòu)平面布置
異形柱框架應設計成雙向剛接梁柱抗側(cè)力體系，根據(jù)結(jié)構(gòu)平面布置和受力特點，可設計成部分異形柱部分矩形柱的形式，特別注意在受力復雜部分采用矩形柱。平面布置宜使結(jié)構(gòu)平面剛度均勻?qū)ΨQ，盡量控制或減小扭轉(zhuǎn)效應：豎向布置注意體型力求簡單規(guī)則，避免過大的外挑內(nèi)收，避免樓層剛度沿豎向突變；柱網(wǎng)尺寸不易過大，一般不超過6m，柱矩大梁高也大，一方面建筑凈空難以滿足要求，另一方面柱承受的軸力也大，軸壓比高，于抗震不利。為保證梁板對異形柱節(jié)點的約束，宜采用現(xiàn)澆樓蓋。
3．2軸壓比及柱配筋
對于柱而言，控制其延性的因素很多，不管對矩形柱還是異形柱，軸壓比無疑是最重要的控制條件之一，其側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降，對異形柱更應從嚴控制。這可以通過控制柱距、采用輕質(zhì)墻體、優(yōu)化結(jié)構(gòu)平面布置改善。柱肢端承受梁傳來的集中荷載，局部壓應力大，可設置暗柱。曹萬林等《鋼筋混凝土帶暗柱異形柱抗震性能試驗及分析》表明：帶暗柱異形柱與普通異形柱相比，承載力及延性和耗能能力有顯著提高。
異形柱截面的剪力中心與截面形心不重合，剪應力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪壓構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，導致柱脆性顯著，延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出現(xiàn)單純翼緣受壓，此時柱的延性最差，因此需要進一步提高異形柱的抗剪能力。除此之外，盡量避免短柱的出現(xiàn)，對剪跨比小的短柱要采取相應的加強措施，以免形成薄弱環(huán)節(jié)。
3．3節(jié)點構(gòu)造
節(jié)點已經(jīng)成為異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，考慮到節(jié)點處鋼筋的錨固以及保證節(jié)點區(qū)混凝土澆筑的質(zhì)量，柱鋼筋數(shù)量不宜過多且直徑不宜過大。
4工程實例
長沙市某住宅樓長24.7m，寬14.5m,建筑面積3575m2左右，地上架空層一層，層高4.5m，住宅十一層，層高3.0m，最大建筑高度為39.0m，平面圖見圖1。該工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類。采用異形柱框架——剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級為三級，異形柱框架抗震等級為三級。采用SAIWE程序分析，各層間位移角見圖2，滿足規(guī)范對層間位移的規(guī)定；同時重視抗震概念設計，加強構(gòu)造措施。目前已竣工驗收交付使用，經(jīng)觀察結(jié)構(gòu)整體狀況良好。
5結(jié)語
異形柱結(jié)構(gòu)具有廣闊的應用前景，但其受力性能具有自己的獨特性，目前仍需要進一步研究以完善設計理論，開發(fā)更適用的設計軟件，提高工程設計效率，便于推廣運用。
參考文獻：
[1]JGJ149-200，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術規(guī)程。
[2]黃銳，抗震設防高烈度區(qū)異形柱結(jié)構(gòu)設計應注意的兩個問題，建筑結(jié)構(gòu)，2005(5)。
[3]沈偉，汪杰南京虎嘯小區(qū)09棟住宅異形框架設計，建筑結(jié)構(gòu)，2001(11)
[4]李建輝，論述異形柱輕型框架的設計，福建建筑高等專科學校學報，2000(2)。
[5]曹祖同，霞等，鋼筋混凝土異形柱框架節(jié)點強度的研究建筑結(jié)構(gòu)，1999(1)
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