異形柱框架在多層住宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、2009年第 10期(總第 121期 Chinese hi-tech enterprisesNO.10.2009 (CumulativetyNO.121中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)近年來,隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高, 人 們對(duì)住宅建筑的要求越來越高 。 既要求戶內(nèi)平面布置靈活適 應(yīng)性強(qiáng)又可兼顧采光外立面美觀 。 以往北方地區(qū)多層住宅建 筑結(jié)構(gòu)大多采用磚混這一傳統(tǒng)結(jié)構(gòu), 受分隔規(guī)則 、 開間較小 、 可變性差等先天因素制約, 磚混房屋無法滿足人們對(duì)建筑使 用功能的不同要求 。 并且隨著國(guó)家禁用黏土磚政策的實(shí)施, 磚混住宅建筑正加快退出歷史舞臺(tái) 。 采用開間布置靈活 、 改 造性強(qiáng) 、 抗震性能好的

2、框架結(jié)構(gòu)可較好地解決上述問題 。 但 采用普通的矩形柱框架又會(huì)帶來另一問題:凸出墻面的矩形 框架柱角給住宅室內(nèi)裝飾和家具布置帶來極大的不便, 影響 平面有效面積的合理利用 。 為此人們開始研究改進(jìn)框架結(jié)構(gòu) 以利于其在住宅建筑中更好的應(yīng)用 。 結(jié)合縱橫墻交接處布置 采用 “ L ” 形, “ 十 ” 形, “ T ” 形等異形柱, 肢厚與墻同寬, 完全消 除室內(nèi)框架柱凸角, 提高有效使用面積, 從而更好地滿足人 們的使用要求 。一 、 混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)異形柱:截面幾何形狀為 L 形 、 T 形 、 和十字形, 截面各肢 的肢高肢厚比不大于 4的柱 。 混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)是以異 形柱代

3、替一般框架柱,和梁剛性連接組成的承受豎向和水平 作用的結(jié)構(gòu) 。1. 異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性, 實(shí) 驗(yàn)研究及理論分析表明:異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨 荷載 (作用 方向不同而有較大差異 。 在 L 形 、 T 形和十字形三 種異形柱中, 以 L 形柱的差異最為顯著 。 當(dāng)異形柱結(jié)構(gòu)中混合 使用等肢異形柱與不等肢異形柱時(shí),則差異情況更為錯(cuò)綜復(fù) 雜, 成為異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算中不容忽視的問題 。 所以對(duì) 異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維空間分析的方法,目前能用于這種結(jié) 構(gòu)抗震分析的常用軟件有 TAT , SATWE 等 。2. 實(shí)驗(yàn)表明, 異形柱在單調(diào)荷載特別在低周反復(fù)荷載作 用下粘結(jié)

4、破壞較矩形柱嚴(yán)重 。 對(duì)柱的剪跨比不應(yīng)小于 1.5的 要求, 是為了避免出現(xiàn)極短柱, 減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié) 破壞的危險(xiǎn)性, 為了設(shè)計(jì)方便, 當(dāng)反彎點(diǎn)位于層高范圍內(nèi)時(shí), 柱的凈高與柱肢截面高度之比不宜小于 4,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng) 小于 3。3. 異形柱多為兩肢 、 三肢 、 甚至四肢, 剪切中心往往在平 面尺寸之外,受力時(shí)要靠各肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和 內(nèi)力分布 。 由彈性分析知道這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢存在相當(dāng) 的翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力, 而該剪應(yīng)力的存在, 首先使柱肢混凝 土先于普通壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫,其次對(duì)各肢相交之核心混凝 土, 使其單元應(yīng)力呈三維剪壓狀態(tài), 由此使異形柱較普通框架 柱變形能

5、力低, 脆性破壞明顯 。4. 根據(jù)試驗(yàn)研究和理論分析知道, 影響框架柱和剪力墻 肢破壞形態(tài)的主要因素有:軸壓比 U 、 剪跨比 、 配筋率及構(gòu)造 處理 。 異形柱作為壓剪構(gòu)件, 由于其肢長(zhǎng)與肢寬之比以及肢寬 等介于普通框架柱和剪力墻肢之間,說明異形柱是介于兩者 之間的一種 “ 過渡性 ” 構(gòu)件 。 試驗(yàn)和分析表明異形柱作為壓剪 構(gòu)件, 其破壞形態(tài)有:彎曲破壞, 小偏壓破壞, 粘接破壞, 高壓 剪破壞以及剪壓破壞, 剪拉破壞和斜壓破壞 。 和其破壞形態(tài)相 關(guān)的主要因素是:軸壓比 、 柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比 (即剪跨 比 、 縱筋配筋率等 。 通過必要的構(gòu)造措施可以防止粘結(jié) 、 剪拉 及斜壓等脆性破

6、壞, 提高柱肢的小偏壓及剪壓破壞的延性 。 5. 試驗(yàn)研究表明, 異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承 載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受剪承載 力, 是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié) 。 為確保安全, 對(duì)抗震設(shè)計(jì)的二 、 三 、 四級(jí)抗震等級(jí)柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及非抗震設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn) 核心區(qū), 均應(yīng)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算 。 在設(shè)計(jì)中, 尚可采取各類 有效措施, 包括梁端增設(shè)支托或水平加腋等構(gòu)造措施, 以提高 或改善粱柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能 。 對(duì)于縱橫向框架共同交 匯的節(jié)點(diǎn),可以按各自方向分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力 計(jì)算 。二 、 異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定(一 結(jié)構(gòu)布置與一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比,異

7、形柱框架結(jié)構(gòu)在結(jié) 構(gòu)布置時(shí)應(yīng)注意以下原則:(1 結(jié)構(gòu)平面宜盡量對(duì)稱, 使平面 和剛度均勻, 2個(gè)主軸方向應(yīng)協(xié)調(diào)布置, 避免扭轉(zhuǎn)帶來的不利 影響; 如果有明顯的不對(duì)稱, 應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影 響 。 (2 異形框架宜雙向設(shè)置, 框架柱應(yīng)對(duì)齊, 框架梁應(yīng)拉通, 避免縱橫框架梁相互支撐,使結(jié)構(gòu)形成空間受力并具有足夠 的承載能力 、 剛度和穩(wěn)定性, 同時(shí)具有良好的整體性和較好的 抗震性能 。 (3 豎向布置應(yīng)力求體型規(guī)則 、 均勻, 避免過大的外 挑和內(nèi)收, 防止樓層剛度沿豎向的突變, 盡量避免錯(cuò)層 。 (二 適用高度 、 高寬比及長(zhǎng)細(xì)比限制異形柱框架在 7度抗震設(shè)防烈度區(qū),要求房屋高度 35

8、m , 層數(shù) 4, 而 異 形 柱 作 為 一 種 新 型 的 承 受 豎 向 力 構(gòu) 件 , h 0/bz-24介于框架柱與剪力墻之間, 從而使其受力特點(diǎn)亦介 于普通框架柱與剪力墻之間 。 異形柱內(nèi)力計(jì)算時(shí), 既不能完全 按普通框架柱, 亦不能照搬剪力墻肢進(jìn)行 。目前,大多數(shù)設(shè)計(jì)人員采用由中國(guó)建筑科學(xué)研究院高層 建筑技術(shù)開發(fā)部 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間分析程序 TBSA 進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算 。 由于程序是以矩形截面柱為研究對(duì)象的, 而對(duì) 異形柱的結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)輸入無明確規(guī)定,輸入時(shí)把異形柱用 具有相同抗彎剛度的矩形柱等替換,然而由于框架柱屬于壓 剪構(gòu)件, 除了要求有相當(dāng)?shù)膭偠韧膺€應(yīng)有較好的抗剪能力,

9、為 保證柱子具有一定的延性, 設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)剪跨比 、 軸壓比 、 主 筋配筋率 、 配箍率進(jìn)行限定, 使異形柱有較好的抗震性能 。 (一 剪跨比剪跨比是反映柱截面所受彎矩與剪力相對(duì)大小的一個(gè)參 數(shù) -H/2h, 是影響框架柱破壞形態(tài)的最重要的因素 。 控制剪跨 比即控制柱凈高與柱截面肢長(zhǎng)之比 。 由于異形柱的抗剪性能 差, 選擇異形柱截面時(shí), 為避免出現(xiàn)短柱, 控制入 =HM/h4, 亦即入 =HM/2h2。(二 軸壓此的限定軸壓比是指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混 凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比 。 它是影響柱破壞形態(tài)和變形 能力的另一個(gè)重要因素 。 有關(guān)研究結(jié)果表明:軸壓比對(duì)異形柱 的

10、影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)普通矩形柱的影響, 為保證異形柱的延性, 必須嚴(yán)格控制軸壓比, 柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸, 以防止出 現(xiàn)小偏壓破壞, 并應(yīng)滿足抗震要求, 同時(shí)避免長(zhǎng)細(xì)比小于 4的 短柱 。 由于異形柱的截面積比具有相同抗彎剛度的矩形柱小, 因此用矩形柱替換后計(jì)算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異 形柱 。 而異形柱的軸壓比的限值在規(guī)范中又無詳細(xì)規(guī)定, 考慮 到異形框架柱的抗扭 、 抗震性能較差, 一般認(rèn)為, 設(shè)計(jì)中應(yīng)按 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 規(guī)定的軸壓比限值減少 0.05選用 。 (三 主筋配筋率及配箍率的調(diào)整軸壓比控制值的調(diào)整,使計(jì)算得出的矩形柱配筋值一般 均較小, 用于異形柱截面配筋時(shí)比值應(yīng)予以放

11、大 。 考慮到異形 柱自身的受力特點(diǎn),把柱縱向鋼筋的最小總配筋率限值提高 0.1。 另外由于異形柱較普通柱易于開裂的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)時(shí)以普 通框架柱的構(gòu)造體積配箍率 0.81.2為依據(jù),異形柱的配箍 率取其上限, 并且配箍形式選用矩形復(fù)合箍筋 。(四 抗震調(diào)整系數(shù)的選取考慮地震作用組合的異形柱,其截面承載力應(yīng)除以承載 力抗震調(diào)整系數(shù) RE。 對(duì)于正截面承載能力, 取 RE =0.8; 對(duì)于斜截面承載力取 RE=0.85。四 、 異形柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施1. 采用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土, 可降低軸壓比, 對(duì)異形柱的 延性也有好處 。2. 異形柱結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是截面和配筋不對(duì)稱, 導(dǎo)致異 形柱在兩個(gè)方向強(qiáng)度和延

12、性不對(duì)稱 。 為了盡量降低這種影響, 腹板端部配筋應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡可能多,而采用 級(jí)鋼筋能 起到類似的作用 。 采用 HRB400和 RRB400鋼筋在同樣的外 力作用下, 鋼筋用量較少, 方便施工, 更好的保證混凝土澆筑 質(zhì)量 。3. 在實(shí)際工程中, 異形柱的寬厚比一般均大于 2.5; 當(dāng)異 形柱截面肢厚小于 200mm 時(shí), 將會(huì)造成粘結(jié)強(qiáng)度不足及梁柱 節(jié)點(diǎn)的鋼筋設(shè)置困難, 基于施工和外墻保溫隔熱等要求, 故限 制異形柱肢厚也不應(yīng)小于 200mm 。 同時(shí)考慮到穩(wěn)定性等問題, 柱肢厚度不宜小于樓層高度的 1/20;對(duì)于二級(jí)抗震設(shè)計(jì)要求 的底層異形柱, 由于其計(jì)算長(zhǎng)度較大, 為了保證足夠的側(cè)

13、向剛 度和穩(wěn)定性, 故柱肢的厚度不應(yīng)小于樓層高度的 1/16。4. 異形柱柱端箍筋加密區(qū)的箍筋應(yīng)根據(jù)受剪承載力計(jì)算, 同時(shí)滿足體積配箍率條件和構(gòu)造要求確定 。 對(duì)箍筋合理配置 的研究中發(fā)現(xiàn), 當(dāng)體積配箍率 p 相同時(shí), 采用較小的箍筋直徑 a 和箍筋間距 s 的延性好只增大箍筋直徑來提高體積配筋率 而不減小箍筋間距并不一定能提高異形柱的延性,只有在箍 筋間距 s 對(duì)受壓縱筋支撐長(zhǎng)度達(dá)到一定要求時(shí),增大體積配 箍率 p , 才能達(dá)到提高延性的目的 。5. 考慮異形柱的柱肢截面厚度較小, 若中間柱兩側(cè)梁高 度相等時(shí),梁的下部鋼筋均在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)滿足 L 條件后切 斷的做法會(huì)使節(jié)點(diǎn)區(qū)下部鋼筋過于密集,造成施工困難并影 響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力性能,故采取梁的上部和下部縱向鋼筋 均貫穿中間節(jié)點(diǎn) 。五 、 結(jié)語混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)隨著經(jīng)濟(jì)