鋼筋混凝土異形柱結構的設計與應用

1、鋼筋混凝土異形柱結構的設計與應用        摘要：鋼筋混凝土異形柱指的是除矩形、圓形以外的截面形式，如T形、十字形、L形等截面形式。僅由鋼筋混凝土異形柱作為豎向構件組成的結構體系，稱之為異形柱框架結構，它般可用于多層住宅等。本文介紹了鋼筋混凝土異形柱的研究現(xiàn)狀，簡要闡述了鋼筋混凝土異形柱的優(yōu)缺點，論述了異形柱結構設計的一般規(guī)定和計算方法，以促進鋼筋混凝土異形柱的應用與推廣。關鍵詞：鋼筋混凝土;異形柱;框架結構;結構設計;應用Abstract: This article describes the status

2、of shaped reinforced concrete columns, briefly described the advantages and disadvantages of reinforced concrete columns, and discussed the general provisions of the shaped column structure design and calculation methods in order to promote the application and promotion of the reinforced concrete co

3、lumns.Key words: reinforced concrete; shaped columns; frame structure; structural design; application中圖分類號：TU375.3 文獻標識碼：A 文章編號：1 異形柱在我國的發(fā)展近年來，隨著國民經濟的快速發(fā)展和住房分配制度改革的不斷深入，作為人們正常生活基本條件的住宅發(fā)生了很大的變化，建筑功能越來越靈活，平面布置越來越合理，商品化住宅產業(yè)也已經形成較大的規(guī)模，擁有滿意的住宅成為我國民眾生活消費計劃中的頭等大事。如今，房地產市場日漸成熟，六、七層的多層和十幾層的小高層住宅建筑形式越來越受到人們的青

4、睞，除滿足正常的使用要求之外，結構的抗震性能和安全度也要求越來越高，這就要求結構工程師為這類住宅建筑探索出一種安全、經濟、合理的結構形式。結構設計者在思想上從剪力墻發(fā)展到短肢剪力墻，再延伸到異形柱結構，他們大膽而創(chuàng)新地在結構中采用肢寬與墻同厚的L形、十字形、T形截面的柱子，也有少數(shù)采用z形和一字形，目的是將柱子隱藏到墻體中，使住宅結構的內部美觀平整;配合輕質隔墻的采用，使結構自重減輕，地震作用小，使造價更經濟。于是，鋼筋混凝土異形柱結構(以下均簡稱異形柱結構)體系便從住宅建筑的發(fā)展中逐步形成。所謂異形柱就是異形截面框架柱的簡稱，是指在滿足結構強度和剛度的前提下，根據(jù)房間布置情況以及柱子具體位置

5、需要而采用的截面幾何形狀分別為L形、十形或者T形的柱子。異形柱結構包括異形柱框架結構和異形柱框架一剪力墻結構兩種，均采用異形柱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形柱或圓形柱，構成所謂的“隱式框架”，是一種新型的住宅結構體系。2 異形柱結構體系的優(yōu)點(1)在異形柱結構中，傳統(tǒng)的矩形柱改為L形、T形、十形等能與分隔墻融合的形狀，柱肢與墻等厚。室內不突出柱楞，空間有效利用率大大提高，房間美觀實用，平面布置靈活，同時便于電線管道布置和室內裝修。(2)異形柱結構墻體的減薄，可大大增加使用面積，與砌體結構相比，可增加使用面積8%一10%，填充墻的墻體材料，可根據(jù)當?shù)乇馗魺嵋?，因地制宜，就地取材，例如多孔磚、加氣混凝土砌塊、

6、空心混凝土砌塊、GRC輕質隔墻、石膏板和陶粒混凝土砌塊等，既減輕了結構的自重，又降低了能源消耗，取得良好的社會效益和經濟效益。(3)異形柱結構體系很大程度上降低了結構自重，在剛度相同的情況下，一般異形柱構件的截面面積小于矩形柱截面面積，柱子的自重減輕，而且填充墻材料可以采用輕質材料，所以，異形柱結構的自重，能夠降低到普通砌體結構的60%左右，而自重減輕可以提高結構的整體抗震及抗風性能，并減輕了基礎的負擔，降低了造價。所以異形柱結構是大力推行住宅產業(yè)現(xiàn)代化而發(fā)展起來的新型住宅結構體系，已被列為當前我國住宅建設中五種主要結構體系之一。3 鋼筋混凝土異形柱的缺點異形柱在全國各地都有廣泛的應用，建設部

7、頒布的行業(yè)標準JGJ149-2006混凝土異形柱結構技術規(guī)程也極大地推動了鋼筋混凝土異形柱在我國的發(fā)展與應用。但是，隨著鋼筋混凝土異形柱實際工程應用的增多以及對其研究的深入，它的缺點也逐漸暴露出來。異形柱框架結構在應用于高度更高、層數(shù)更多的建筑時，受到自身特點的限制。(1)異形柱為了和墻體的尺寸一致，柱截面偏小，因而其承載能力就會受到限制，隨著高層和超高層建筑的發(fā)展，建筑層數(shù)的增多，上部荷載的增大，必然會導致柱截面的增大，由于純粹的鋼筋混凝土異形柱的承載力有限，勢必要增大鋼筋混凝土異形柱的截面來滿足工程上對承載力的要求。(2)構造復雜，相對普通矩形截面柱，其柱肢較為薄弱，抗震能力相對不足，延性

8、較差，而且翼緣比較窄，容易造成鋼筋的擁擠、模板密集、混凝土澆筑困難，從而給施工造成很大的不便。(3)異形柱對水平荷載的方向性比較敏感，水平荷載作用方向的不同會導致結構的承載力存在較大差異，而且設計計算時，結構的扭轉不好控制。(4)為保證柱子的延性要求，需要較大配箍率并嚴格控制軸壓比。因此，我國對異形柱的應用進行了嚴格控制，JGJ149-2006混凝土異形柱結構技術規(guī)程指出異形柱結構體系主要使用于多層框架，房屋的適用高度不大于表1的規(guī)定限值。表1 異形柱結構適用的房屋最大高度 m正是由于以上的原因，鋼筋混凝土異形柱在高層建筑及地震高烈度設防區(qū)的應用受到極大的限制。4 異形柱結構設計的一般規(guī)定4.

9、1結構布置與一般鋼筋混凝土框架結構相比，異形柱框架結構在結構布置時應注意以下原則：(1)結構平面宜盡量對稱。使平面和剛度均勻，2個主軸方向應協(xié)調布置，避免扭轉帶來的不利影響：如果有明顯的不對稱，應考慮扭轉對結構受力的不利影響。(2)異形框架宜雙向設置，框架柱應對齊，框架梁應拉通，避免縱橫框架梁相互支撐，使結構形成空間受力并具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性，同時具有良好的整體性和較好的抗震性能。(3)豎向布置應力求體型規(guī)則、均勻。避免過大的外挑和內收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯層。4.2適用高度、高寬比及長細比限制異形柱框架在7度抗震設防烈度區(qū)，要求房屋高度35m，層數(shù)<12，建

10、筑物的高寬比不宜大于5;8度區(qū)房屋高度不大于25m，建筑物的高寬比不宜大于4。另外，柱凈高與截面長邊之比，即長細比宜大于4小于8。長細比小于(4即短柱)，容易發(fā)生脆性剪切破壞;長細比大于8，易引起失穩(wěn)破壞。5 異形柱的結構計算方法目前，異形柱的結構設計還沒有統(tǒng)一的國家規(guī)范，僅有兩部地方性法規(guī)，即廣東省和天津市的標準就可供參考。異形柱不宜套用普通柱的配筋公式，也不宜直接用剪力墻的配筋公式，一般來說，有以下幾種計算方法。5.1直接計算法根據(jù)國內外的部分試驗結果，進行統(tǒng)計分析，擬合成經驗公式。即按T型截面分別計算出縱向力作用X軸及Y軸，考慮相應的初始偏心距增大系數(shù)后，按僅考慮曲肘邊縱向受力鋼筋計算的

11、偏心受壓構件所能承載的縱向力Nx和Ny，然后以初始偏心距與截面邊長的比值為參數(shù)進行修正。5.2等代矩形柱計算法(1)將異形柱截面折算成慣性矩相等的矩形截面且將等代矩形柱的形心置于異形柱兩肢桿軸線的交點上。(2)將其輸入空間分析程序(如TBSA)進行位移和內力計算，可簡化上作量。(3)以上電算輸出的是作用在等代矩形桿形心處的組合內力，需將其回歸到各個單肢截面的形心處。這樣每個單肢就可按其各自的組合內力進行正、斜截面的配筋計算。這種用面積等效換算作抗壓抗剪分析的方法在工程中應用較多，但用這種方法計算時應明確的是：按矩形柱計算時得出的內力要轉換到異形柱上斷面形心的位置。然后按異形柱計算配筋;按矩形柱

12、得出的軸壓比應乘以矩形柱斷面面積與異形柱斷面面積之比值才足異形柱的軸壓比。5.3先配筋再復核法對于有經驗的設計人員，在參考一些相關算例的前提下，可以先對異形柱配筋再復核截面就顯得更為簡便，截而復核時可分X軸和Y軸均按T型截面分別復核。不論是哪種計算方法，都可以參與GB(500l0-2010)混凝上結構設計規(guī)范有關偏心受壓構件的內容來進行計算。6 工程實例6.1 工程概況某多層異形柱框架結構住宅，共-l+6層(-l為半地下自行車庫)。建筑工程抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組：第一組;場地類別：類;特征周期Tg=0

13、.35s，異形柱框架結構抗震等級為四級，見圖l。圖1 異形柱框架結構平面布置圖6.2異形柱框架結構受力分析(1)梁寬與異形截面柱肢寬度相同時，樓蓋的豎向荷載是從柱肢端部傳至柱子上去的。對L形截面柱，其截面形心與柱肢中軸線不重合，柱子為雙向偏心受壓構件。當水平荷載作用時，水平力也是從框架梁傳至柱肢中軸線上，使柱產生扭轉力矩。當柱肢較長時(肢長與肢寬之比大于4)，應按開口薄壁桿件分析其受力狀態(tài)，在柱肢軸線不通過柱截面彎曲中心的情況下，由彎曲扭轉力矩的作用，柱截面產生扇性剪應力及扇性垂直應力(翹曲應力)，扇性剪應力通常很小，可以忽略不計;而扇性垂直應力則相對較大，需要考慮，若達到很大的值時，按平截面

14、假定去分析柱面應力可能會有一定的誤差。因此，異形截面柱的截面應力要比一般矩形截面柱復雜得多，若用精確方法計算，計算工作量十分大。(3)地震力系數(shù)放大，自振周期折減。因用異形柱導致結構剛度下降，使得地震力減小，應采用地震力放大系數(shù)來適當?shù)卦黾拥卣鹆?。計算各振型地震影響系?shù)所采用的結構自振周期，應考慮非承重填充墻體對結構整體剛度的影響予以折減。折減系數(shù)和抗震規(guī)范、高層規(guī)程是不同的，框架結構取0.60.75;框架一剪力墻取0.70.85。(4)樓梯間和開大洞口區(qū)域的加強處理，加強樓梯間和開大洞口區(qū)域周邊梁、板的剛度(高度、厚度)，增強結構的整體性;加強樓梯間和開大洞口區(qū)域周邊梁、板的配筋，提高其承載

15、能力，改善結構延性。同時在樓梯間和開大洞口區(qū)域角部集中配置斜向鋼筋，防止洞口角部因應力集中而開裂。(5)加強處理角部L形異形柱。箍筋宜全段加密，肢長宜適當加長，縱向受力鋼筋宜加強，這樣對結構整體抗扭有較大的幫助。(6)Z形柱的處理，Z形柱是由兩個L形柱組成的。在結構計算時可以按兩個L形柱進行內力及配筋計算。因為z形柱受力較大時易在中間肢劈開，劈開后(極限狀態(tài))其受力接近于兩個L形柱，故按兩個L形柱處理較為合理。7 結語隨著我國國民經濟的發(fā)展和城市居民生活水平的提高，人們對房屋建筑物的使用功能和安全性提出了越來越高的要求。鋼筋混凝土異形柱結構以其不出現(xiàn)柱楞，增加有效面積，輕型節(jié)能等特點，符合我國墻體改革方向受到了廣泛的應用。異形柱作為一種新型結構形式，與一般的矩形柱結構雖存在著共性，卻又有著各自的特性，在設計過程中應根據(jù)異形柱的受力特點，充分了解其破壞機理，選用合理的柱網布置形式、合理的選形。計算分析及構造措施等方面準確、優(yōu)質、高效的進行，正確掌握計算機分