建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中異形柱框架結(jié)構(gòu)分析

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中異形柱框架結(jié)構(gòu)分析摘要:隨著人們對(duì)住宅使用功能、空間劃分上的要求不斷的提高，傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)的住宅已經(jīng)不能滿足人們的需要了。于是框架結(jié)構(gòu)和異形框架逐漸被運(yùn)用于住宅建筑中。本文將結(jié)合異形柱框架結(jié)構(gòu)形式、受力性能、計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞:異形柱,受力性能,框架柱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),

S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

異形柱結(jié)構(gòu)是采用T形、L形、十字形等截面的異形柱代替一般框架柱作為豎向支承構(gòu)件而構(gòu)成的結(jié)構(gòu),在工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)建筑設(shè)計(jì)對(duì)建筑功能及建筑布置的要求,在結(jié)構(gòu)的不同部位,采取不同形狀截面的異形柱。異形柱的柱肢厚度及梁寬度與框架填充墻協(xié)調(diào)一致,避免了框架柱及梁在屋內(nèi)凸出,從建筑學(xué)角度也可稱其為“隱式框架”[1]。近年來,隨著我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)住宅建筑使用要求的不斷提高,普通的矩形框架柱會(huì)給室內(nèi)裝飾和家具布置帶來極大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面積,這對(duì)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一項(xiàng)新的要求。異形柱框架結(jié)構(gòu)體系在一定程度上滿足了上述要求,兼?zhèn)淞丝蚣芗凹袅Y(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn),它將是今后住宅結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向之一。

1異形柱的受力性能

（1)承載能力。異形柱不同于矩形柱,它由多肢組成,柱肢截面高度與柱肢寬度的比值一般在2.5～4,墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大,導(dǎo)致各向剛度不一致,其各向承載能力也有較大差異。

（2）變形特征。一般住宅的層高在2.8m～3.1m,異形柱肢厚在200mm左右,異形柱為了獲得足夠的承載力,肢長(zhǎng)一般不會(huì)太小,這就容易造成柱剪跨比過小,形成短柱(柱凈高H/柱肢長(zhǎng)h<4),以剪切變形為主,構(gòu)件變形能力下降。即使存在軸壓比較小的柱H/h>4,由于異形柱屬薄壁構(gòu)件,也會(huì)因截面曲率M/EI或ecu/X(ecu為混凝土的極限壓應(yīng)變,X為截面受壓區(qū)高度)較小,使彎曲變形性能有限,延性較差。

2異形柱的計(jì)算分析

2.1計(jì)算方法

在低烈度區(qū),且水平力作用在截面對(duì)稱軸內(nèi)時(shí)(如異形柱為十字形),彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小,此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件,仍可按平截面假定分析,按混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。而在高烈度區(qū),且水平力作用在非主軸方向,則翹曲應(yīng)力不容忽視,按平截面假定誤差較大,則應(yīng)對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí),應(yīng)選用帶有異形柱計(jì)算功能的軟件,如中國(guó)建筑科學(xué)研究院的TAT,SATWE程序及天津大學(xué)的鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算程序CRSC等。

2.2計(jì)算模型

由于在實(shí)際工程中所布置的豎向構(gòu)件往往不全是異形柱,其中經(jīng)常會(huì)混合采用墻肢相對(duì)較長(zhǎng)的剪力墻(一般剪力墻或部分短肢剪力墻)，形成異形柱框架)剪力墻結(jié)構(gòu)。在這類結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型輸入時(shí),有的設(shè)計(jì)人員常會(huì)把異形柱按短肢剪力墻輸入,有的甚至將異形柱框架結(jié)構(gòu)的全部異形柱按短肢剪力墻輸入,這樣勢(shì)必造成計(jì)算誤差,而且發(fā)現(xiàn)有些構(gòu)件的誤差會(huì)影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全。如框架梁,按異形柱輸入的,梁長(zhǎng)取兩端異形柱形心長(zhǎng)度；而按短肢剪力墻輸入的,梁長(zhǎng)取墻肢端點(diǎn)長(zhǎng)度,兩種方法引起梁內(nèi)力、配筋有較大出入。

3異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造

3.1材料要求

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25,且不應(yīng)高于C50。

縱向受力鋼筋宜選用高強(qiáng)的HRB400,HRB335級(jí)鋼筋。

3.2截面要求

（1)異形柱截面各肢肢高、肢厚比不應(yīng)大于4,肢厚不應(yīng)小于200mm。

（2）異形柱不應(yīng)采用一字形和Z字形。

（3）盡可能地避免短柱和極短柱,異形柱的剪跨比宜大于2,不應(yīng)小于115,減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險(xiǎn)性。

3.3框架柱

（1)柱縱筋與箍筋設(shè)置形式有“L”“T”“十”及雙排布置等形式。在同一截面內(nèi),縱向受力鋼筋宜采用相同直徑,其直徑不應(yīng)大于25mm,且不小于14mm,縱筋間距大于250mm時(shí),應(yīng)設(shè)置縱向構(gòu)造筋,其直徑可采用12mm,并設(shè)拉筋,拉筋間距為箍筋間距的兩倍。

（2）柱截面厚度小于200mm時(shí),縱向受力鋼筋每排不應(yīng)多于2根；肢厚在200mm～250mm時(shí),每排鋼筋不應(yīng)多于3根,必要時(shí)可分兩排設(shè)置,兩排鋼筋之間的凈距不應(yīng)小于50mm。

（3）框架柱中全部縱向受力鋼筋的配筋率:抗震等級(jí)為ò級(jí)時(shí),中柱、邊

柱不應(yīng)小于0.7%,角柱不應(yīng)小于0.9%；抗震等級(jí)為ó級(jí)時(shí),中柱、邊柱不應(yīng)小于0.6%,角柱不應(yīng)小于0.8%?？蚣苤腥靠v向鋼筋的配筋率,抗震設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)ò級(jí)、ó級(jí)鋼筋不宜大于3%。

框架柱應(yīng)采用復(fù)合箍,嚴(yán)禁采用具有內(nèi)折角的箍筋,箍筋必須做成封閉式。箍筋末端做成不小于135b的彎鉤,彎鉤端頭直段長(zhǎng)度不應(yīng)小于10d(d為箍筋直徑)。

箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度取柱截面的長(zhǎng)邊尺寸、層間柱凈高的1/6和500mm者中的最大值。在加密區(qū)內(nèi),箍筋的直徑不變,間距100mm。

3.4框架節(jié)點(diǎn)

框架梁的截面寬度與異形柱的肢寬相等或梁截面寬度每側(cè)凸出柱邊小于50mm時(shí),在梁四角上的縱向受力鋼筋應(yīng)在離柱邊大于800mm處,且滿足小于1/25坡度的條件下向柱筋內(nèi)側(cè)彎折伸入框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)。

當(dāng)框架梁截面寬度的任一側(cè)凸出柱邊不小于50mm時(shí),則該側(cè)梁角上的縱向受力鋼筋可在本肢柱筋外側(cè)伸入梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)。

3.5框架頂層柱縱向鋼筋的錨固和搭接

由于異形柱柱肢寬度與梁相當(dāng),所以存在著梁筋與柱筋交接處較密集的問題。5規(guī)程6[2]根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范6第11.6.7條規(guī)定并考慮異形柱的特點(diǎn),頂層端節(jié)點(diǎn)柱外縱向鋼筋沿節(jié)點(diǎn)外邊和梁上邊與梁上部縱向鋼筋的搭接長(zhǎng)度增大到1.6laE(1.6la),但伸入梁內(nèi)的柱外側(cè)縱向鋼筋截面面積調(diào)整為不宜少于柱外側(cè)全部縱向鋼筋截面面積的50%。在目前沒有異形柱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圖集的情況下,設(shè)計(jì)人員應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說明中予以注明,以免發(fā)生施工錯(cuò)誤。

3.6柱與填充墻的連接

(1)異形柱框架結(jié)構(gòu)的填充墻應(yīng)采用輕質(zhì)墻體材料,并必須與框架可靠地連接。當(dāng)采用砌體填充墻時(shí),在框架與填充墻的交接處,沿高度每隔500mm或砌體皮數(shù)的適當(dāng)倍數(shù),用2號(hào)6鋼筋與柱拉結(jié)。鋼筋由柱的每邊伸出,進(jìn)入墻內(nèi)的長(zhǎng)度:ò級(jí)抗震時(shí)沿填充墻全長(zhǎng)設(shè)置；ó級(jí)時(shí)不小于填充墻長(zhǎng)的1/5及700mm。填充墻的砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于M2.5。2)填充墻長(zhǎng)度大于5m時(shí),墻頂部與梁宜有拉結(jié)措施；填充墻高度超過4m時(shí),宜在墻高中部設(shè)置與柱連接的通長(zhǎng)鋼筋混凝土水平墻梁。

4節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力

由異形柱的截面特性,決定了梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域面積較小,而梁柱縱筋交匯使

得箍筋配置不可能太多。為了滿足抗剪承載力的要求,只能提高混凝土的標(biāo)號(hào),但隨之帶來的問題是構(gòu)件變脆,同時(shí)與梁板混凝土強(qiáng)度的協(xié)調(diào)也成問題,有時(shí)為了個(gè)別柱的需要,而使全部柱的混凝土標(biāo)號(hào)提高,也造成了投資上的浪費(fèi)。為了解決這一問題,我們?cè)谝呀ǔ傻墓こ讨胁捎昧嗽诠?jié)點(diǎn)核心區(qū)的柱內(nèi)加豎向鋼板的方法,鋼板伸過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上下一定的長(zhǎng)度錨固,按鋼板與混凝土協(xié)同工作來計(jì)算分析,確定鋼板的截面尺寸。

5結(jié)語

對(duì)于有較高抗震要求的房屋,不建議采用異形柱。

根據(jù)平面布置和受力特點(diǎn),可在各種結(jié)構(gòu)體系中部分布置異形柱,以充分發(fā)揮異形柱在建筑使用和結(jié)構(gòu)受力上的優(yōu)點(diǎn)