異形柱結構設計疑難釋義

異形柱結構設計疑難釋義

問：“一”形柱為什么規(guī)程中未采用？

答：“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風荷載作用下還是在地震作用下結構中的柱一般都是受到兩個方向的彎矩同時作用，其受力后的表現可想而知，以上是正截面承載力方面?！耙弧毙沃陔p向剪力作用下性能也不好，由<混凝土結構設計規(guī)范>GB50010柱雙向受剪承載力計算公式可見，柱截面相鄰兩邊長相差越多，其斜向受剪承載力越低。如沿“一”形柱短邊方向有梁與其相連，則此梁柱節(jié)點的核心區(qū)面積只有柱厚乘梁寬這一點點，顯然承受不了它受到的節(jié)點剪力。

2000年前中國建筑科學研究院抗震所做了“高層建筑短肢剪力墻結構振動臺試驗研究”(見<建筑科學>2000年1期12-16頁程紹革、陳善陽、劉經偉的文章)項目。試驗結果為：“破壞最嚴重的墻肢是底層‘一’字形的小墻肢”。注：按文中所附圖中小墻肢的長寬比例可其墻肢長/墻肢厚之比很小(<4)，屬于柱的范圍。該文結論之一是：“短肢墻應在兩個方向均有連接，避免采用孤立的‘一’字形墻肢?！边@也可看為是對前面分析的試驗驗證。

所以異形柱規(guī)程未將“一”形柱列入。問：規(guī)程為什么未將Z形柱列入？

答：Z形截面柱與“一”形截面柱類似，即兩主軸方向抗彎能力相差甚大，如圖示。其正截面受彎及雙向受剪性能可參見“一”形截面柱的解釋。

僅有的Z形柱試驗是李杰等人做的沿Z形中間肢作用彎矩和剪力的試驗，結果是在此肢中間沿柱長方向出現較大的裂縫。一般情況即斜向受力現無試驗研究。多數情況下是Z形的上下兩水平肢受與其方向一致的力，即由兩根梁傳來的拉力或壓力，這只有通過中間肢的受扭來傳遞，后果只能是中間肢的斷裂！節(jié)點受剪性能到底如何？這些都沒有試驗結果可以借鑒。鋼筋混凝土結構是復雜的非線性復合材料結構，目前還離不開試驗，在無大量試驗背景下就提出計算公式并列入規(guī)程指導設計，顯然是太草率了！問：目前工程中遇到Z形柱怎樣設計計算較好？

答：工程中經常遇到需要做Z形柱的情況，在設計計算時較好的方法是在PMCAD輸入時將其按兩個L形柱來輸入并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，按兩個L形柱處理較為合適。如按兩個等肢的L形柱輸入時，中間肢較短時會有大部分重疊也可。此時兩L形柱間的梁會因剛度太大而超筋，也不必管，因實際上無此梁，只是有限元計算時必須兩柱間有聯(lián)系需要有此梁。問：為什么規(guī)程中的“異形柱”只限于肢厚小于300mm（L、T、+）異形柱？

答：現在建筑界所講的“異形柱”，特點是截面肢薄，由此引起構件性能與矩形柱性能的差異。這些包括受力、變形、構造做法等一系列差異。制定規(guī)程主要是針對肢厚200、250mm的異形柱，如將肢厚等于和大于300mm的L、T、+異形柱也列入其中，將會有大量篇幅是在后者上，即后者所占的篇幅要大于前者所占篇幅，這將使規(guī)程變得“失去重心”。例如：《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010規(guī)定柱截面任一邊的尺寸不宜小于300mm，但異形柱的（兩肢）肢厚在此情況時，可服從GB50010的規(guī)定，即混凝土強度等級可到C50以上；縱筋直徑可不應受不大于25mm的限制；縱筋配筋率可不受3%的限制；鋼筋凈保護層最小要達到30mm；與此柱相連的框架梁梁高可不受異形柱規(guī)程限制；截面肢高也不應受不小于500mm的限制、因GB50010規(guī)定300mm×300mm截面的柱可做，我做了一400mm×400mm只是去掉了100mm×100mm的一個角的柱，按異形柱規(guī)程（肢長不得小于500mm）就不讓做了，等等。如將肢厚小于300mm（L、T、+）異形柱也列入規(guī)程，則以上所列的這些都要在規(guī)程中做出規(guī)定，而這些在GB50010中已有規(guī)定，占了篇幅，還沒有新的東西，讓設計人員兩本標準都要看，不知要浪費多少人的多少時間鬧問姨：旋為各什鏈么兔要炊限流制縫異泊形魄柱捕的無混更凝款土綱強財度僅等窗級視不穿小建于踏C喝2吳5般和嗽不肚大洽于異C它5滿0伸？孔

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答：異形柱的兩個最為薄弱的環(huán)節(jié)是節(jié)點受剪承載力與柱的延性性能，目前（2004年5月15日）一般主要用于矩形截面鋼筋混凝土柱結構的設計軟件對這兩個環(huán)節(jié)均與規(guī)程要求相差甚遠！

如PKPM系列軟件TAT、SATWE一直未對異形柱梁柱節(jié)點計算其受到的剪力，而規(guī)程要求無論抗震與非抗震設計均應進行節(jié)點強度計算及配箍筋。

最近發(fā)行的《新規(guī)范PKPM設計軟件實用手冊》-1第45頁的問答如下：

“8SATWE和TAT軟件計算異型柱結構，有沒有根據天津的異型柱規(guī)范要求柱配筋率>1%？

沒有，SATWE和TAT是按普通柱配箍率處理的，要求用戶在構造上人為處理?！?/p>

節(jié)點是異形柱結構的最薄弱環(huán)節(jié)，別的條目解釋了，這里不贅述。

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答:軸壓比限值及框架柱構造要求的修訂：

近來的研究表明，一般情況下L形、T形截面柱的截面延性隨配筋率的提高而提高,然而在某柴荷載角情況下，由于截面幾何形狀的不對稱性，拉壓筋比例失衡，使得L形、T形截面柱的延性會隨配筋率的提高而降低。此次修訂中綜合考慮上述情況，對L形、T形截面框架柱進行了大量的補充計算分析，并根據分析結果對原《規(guī)程》第7.2.2條附表的軸壓比限值進行了修訂，適當調整了L形、T形截面柱的軸壓比限值。對+形截面框架柱則考慮了肢高與肢厚比的影響，對其軸壓比限值也做了適當調整。總的來講，L形、T形、＋形截面柱的軸壓比限值均比原《規(guī)程》有所減小，減小的幅度：L形、T形截面柱為0.05;＋形截面柱為0.05～0.1。問：對一般情況的異形柱結構為什么要規(guī)定在結構的兩個主軸方向及與兩主軸呈45°方向應分別計算水平地震作用并進行抗震驗算？

答：這里的一般情況是指平面布局較為規(guī)則的異形柱結構。因L形柱截面主軸與結構主軸呈45°方向，八度抗震設計時，計算發(fā)現，對于結構外緣靠近角部的L形柱，當地震作用方向與L形柱截面弱軸方向垂直時，所得的柱縱筋配筋結果取得最大值。它比對結構兩主軸方向分別計算了水平地震作用所得的縱筋配筋結果要大10%－40%。設防烈度較高，結構平面越小、越接近方形其角柱按地震作用方向與結構主軸方向45°計算所得配筋越大。因此，規(guī)程(送審稿)做出此規(guī)定。問：為什么對不規(guī)則的異形柱結構規(guī)程(送審稿)未規(guī)定在結構的與兩主軸呈45°方向應分別計算水平地震作用并進行抗震驗算？

答：不規(guī)則的異形柱結構一般結構平面面積較大，又不接近方形，還有可能有些柱網軸線與其它柱網軸線交角大于15°；且此情況規(guī)程已規(guī)定應對其進行雙向水平地震同時作用計算，對后一種情況還要求對此柱網軸線方向進行水平地震作用計算，雖此柱網軸線不一定是45°方向，但與其相差最大不到30°。這樣配筋計算結果就與按每根L形柱都進行45°方向地震作用配筋計算結果相差不大了。問：為什么規(guī)程送審稿較征求意見稿對于異形柱框架結構的房屋最大適用高度有了較大幅度的降低？

答：經過針對八度抗震設防設計的六層異形柱結構振動臺試驗與框架節(jié)點承載力計算公式計算比較，發(fā)現上述公式計算結果與試驗結果較為吻合。按上述公式計算，該六層結構下面三層大部分梁柱節(jié)點不滿足截面尺寸限制條件；振動臺試驗的結果也是這些層的梁柱節(jié)點大部分發(fā)生不同程度損壞（雖還不至于引起整體結構的立即倒塌），而未發(fā)現其它層的梁柱節(jié)點有損壞現象。以上驗證了計算公式的準確性和CRSC計算軟件的可靠性。用此公式和軟件對大量工程計算發(fā)現原異形柱框架結構的房屋最大適用高度有些偏高，故對此進行了的調整，特別是高烈度設防區(qū)的調整幅度較大，八度設防由最高為六層降低為最高四層。所以給出最高限值是針對目前大多數結構設計軟件都不會或不計算異形柱框架節(jié)點受剪承載力，造成很大的安全隱患。問：異形柱截面上什么位置的縱筋是受力縱筋？

答：異形柱截面上受力縱筋的位置如下圖所示。試驗和模擬計算表明這些位置上的縱筋均發(fā)揮較大的作用，特別是當軸壓較大時處于各肢內折角處的縱筋的作用不容忽視，一定要作為受力筋處理。問：為什么要規(guī)定“異形柱結構框架梁截面高度抗震設計時不應小于400mm”？

答：類似于貫穿節(jié)點的梁縱筋，當節(jié)點的非彈性變形較大時，貫穿節(jié)點的柱縱向鋼筋粘結退化與滑移加劇，甚至出現“拉風箱”、即沿節(jié)點區(qū)柱縱向鋼筋全長粘結破壞、現象發(fā)生。為保證其粘結應為不致過大，避免上述現象出現，規(guī)定梁的高度、即節(jié)點高度不能太小。

我國鋼筋混凝土規(guī)范條款規(guī)定對一、二級抗震等級，梁內貫穿中柱的縱向鋼筋不宜大于柱在該方向截面尺寸的1/20。對柱的縱筋未提要求，看來是該規(guī)范的一個欠缺，因根據剪力平衡，節(jié)點橫、豎向的剪力是相等的，對豎向、即沿柱縱筋方向不提要求是個欠缺。

美國混凝土學會節(jié)點委員會要求對抗震設計的節(jié)點高度不小于20倍柱縱筋直徑（美國不分抗震等級）。新西蘭有比美國更嚴格的規(guī)定。

異形柱規(guī)程假定柱縱筋直徑20mm，按20倍柱縱筋直徑取，即規(guī)定抗震設計的異形柱框架梁最小高度為400mm。非抗震設計有所放松。

異形柱結構框架節(jié)點鋼筋粘結條件可能不如普通框架節(jié)點鋼筋粘結條件，希望設計人員務必遵守此條規(guī)定。問：送審初稿為什么規(guī)定二級抗震等級的異形柱彎矩增大系數比混凝土規(guī)范對矩形柱彎矩增大系數要大？

答：根據重慶大學白紹良老師等近年來用自編的和國外的非線性動力反應分析程序（桿系單分量模型的平面結構體系和“偽三維”結構體系）計算分析修訂前后規(guī)范“強柱弱梁”措施的有效性的主要結論：一級抗震等級的措施比較有效，能保證一般矩形柱或圓形柱在罕遇地震下的塑性變形不超過其其塑性變形（延性）能力。二級抗震等級因柱彎矩增強系數只有1.2，而實際上因梁跨中下部鋼筋伸入支座和節(jié)點左、右梁上部鋼筋拉通等原因，這個1.2的系數不能保證柱端出現塑性鉸后的塑性轉動在大震下不超過其延性能力，因此，從保證抗震性能來看遠不如一級抗震。雖然新混凝土規(guī)范將系數從1.1提到1.2，并沒有完全消除這一問題。因此白紹良老師建議二級抗震等級的系數至少應提到1.3。所以，這些制定規(guī)程采納了白老師的建議，二級抗震等級異形柱彎矩增大系數取為1.3非抗震設計的異形柱框架結構節(jié)點承載力實例分析補充以上情況的構造要求：

非抗震設計時，箍筋直徑不應小于d/4（d為縱向鋼筋的最大直徑），且不應小于6mm；箍筋間距不應大于250mm，且不應大于柱肢厚度和15d（d為縱向鋼筋的最小直徑）。

由已配柱縱筋直徑可見，按此構造要求箍筋直徑選用6