異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點與設(shè)計

楊超 張云

1 異形柱及異形柱結(jié)構(gòu)的定義

JGJ 149-2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對異形柱的定義為:截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比(柱肢截面高度與厚度的比值)不大于4的柱，肢厚不小于180 mm。

2 異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計及實際中的區(qū)別

2.1 異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的區(qū)別

近幾年來，人們對房屋平面與空間布置的要求越來越高，從而對建筑設(shè)計布局有了新的要求。而且普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔已越來越不能被房屋使用者所接受，因為它直接影響到室內(nèi)家具的布置及空間的使用。

2.2 異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計時的差異

1)對于相同烈度和結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度有較大幅度的降低;2)對于相同結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值、彈塑性層間位移角限值更加嚴(yán)格一些;3)鋼筋混凝土房屋應(yīng)根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級。對于相同烈度和結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)抗震等級的確定方法更加嚴(yán)格一些，其在房屋高度的取值上降低了數(shù)值;4)抗震設(shè)計時，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的比值不應(yīng)大于1.45;而矩形柱框架結(jié)構(gòu)的該比值為1.50;5)抗震設(shè)計時，對于相同結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱的軸壓比限值均有不同幅度的降低，意味著其要求更加嚴(yán)格。

3 異形柱框架結(jié)構(gòu)受力特點

異形柱結(jié)構(gòu)受力特點主要有以下幾個方面:1)由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異;2)對于長柱(H/h＞4)可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對于短柱(H/h＜4)，剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲型破壞，也因截面曲率 M/EI或εcu/χ(εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變;χ為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差;3)異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯;4)異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析[2]，異形柱的破壞形態(tài)為:彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有:荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比(剪跨比)、配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。

4 異形柱框架結(jié)構(gòu)的計算分析

根據(jù)規(guī)范要求，對于矩形柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)無斜向抗側(cè)力構(gòu)件時，結(jié)構(gòu)設(shè)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括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是 0°或90°，即僅沿該兩個方向計算的正截面配筋并不能完全包括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。《規(guī)程》強(qiáng)制規(guī)定，7度及7度以上時地震作用尚應(yīng)對與主軸成45°方向進(jìn)行補(bǔ)充驗算。

異形柱軸壓比控制和梁柱節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算是異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩大特色。由于異形柱與矩形柱在截面特性、內(nèi)力、變形及抗震性能上均有較大差異，《規(guī)程》專門針對異形柱結(jié)構(gòu)特點制定了相應(yīng)的條文規(guī)定，且比其他規(guī)程要求嚴(yán)格。例如6度區(qū)應(yīng)進(jìn)行地震作用計算及結(jié)構(gòu)抗震驗算，應(yīng)進(jìn)行梁柱節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算等。由于異形柱柱截面的特殊性，其抗震性能較弱，為滿足國家抗震設(shè)防要求，保證結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗震延性，根據(jù)異形柱截面雙向偏壓柱的工作機(jī)理，分析影響各種截面形狀柱的截面曲率延性的主要因素，通過分析框架位移延性與梁、柱構(gòu)件截面曲率延性之間的相互關(guān)系及大量的電算分析，得到了在不同抗震等級下異形柱軸壓比與匹配特征值的關(guān)系，據(jù)此給出了小于普通柱軸壓比的異形柱軸壓比限值。此軸壓比限值是結(jié)構(gòu)體系抗震性能的重要保證，設(shè)計中尤其注意應(yīng)使構(gòu)件滿足此限值，特別是對一些平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)更應(yīng)嚴(yán)格控制。

梁柱節(jié)點是異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由于節(jié)點的作用是將本層和上層荷載通過核心區(qū)傳至下層柱中，其作用力為與節(jié)點相連的梁端和柱端彎矩、軸力、剪力、扭矩，受力非常復(fù)雜。矩形截面柱節(jié)點由于正交方向梁對節(jié)點核心區(qū)混凝土的約束作用，具有一定的受剪承載力，對非抗震和三、四級抗震等級節(jié)點，不用對節(jié)點核心區(qū)進(jìn)行受剪承載力計算，僅需滿足抗震構(gòu)造措施要求，只對一、二級抗震等級節(jié)點核心區(qū)進(jìn)行受剪承截力計算，而異形柱框架節(jié)點卻不同。由于異形柱截面的特點，正交方向梁截面的寬度與柱接觸面積較小且偏置，對節(jié)點核心區(qū)混凝土難以達(dá)到約束。因此必須對異形柱框架節(jié)點核心區(qū)進(jìn)行受剪承載力計算，無論是非地震區(qū)或地震區(qū)均應(yīng)計算。首先限制節(jié)點核心區(qū)截面，避免截面太小混凝土承受過大的斜壓力，導(dǎo)致核心區(qū)混凝土首先被破壞，其次是控制節(jié)點核心區(qū)配箍面積，保證節(jié)點受剪承載力，改善節(jié)點的抗震性能。

5 設(shè)計實例

山東某市住宅樓長28.3 m，寬12.9 m，建筑面積1 015 m2左右，住宅4層，層高 3.0 m，最大建筑高度為15.4 m。該工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為三類。采用異形柱框架結(jié)構(gòu)，異形柱框架抗震等級為三級。采用SATWE程序分析，各層間位移角見圖1，滿足規(guī)范對層間位移的規(guī)定;同時重視抗震概念設(shè)計，加強(qiáng)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。

總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場需求，在設(shè)計中根據(jù)其受力特點，充分了解其破壞機(jī)理，選用合理的柱網(wǎng)布置形式，正確掌握計算分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結(jié)構(gòu)具有可靠的安全保障。

[1] 楊有根.異形柱框架結(jié)構(gòu)理論研究與計算機(jī)輔助設(shè)計[D].長沙:湖南大學(xué)，2002:46.

[2] 鄭為民.改進(jìn)建筑室內(nèi)環(huán)境的有效手段——“異形柱”框架[J].當(dāng)代建設(shè)，2000(5):27-28.

[3] 黃雅捷.鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能及性能設(shè)計方法研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2003:16-17.

[4] JGJ 149-2006，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 徐金榮，張洪靜，王普山，等.異形柱框架薄弱部位抗震設(shè)計方法探討[J].世界地震工程，2002(2):32-33.