鋼筋混凝土異型柱結構抗震設計若干問題的探討

摘要：本文是作者對土建工程中的一種特殊結構——異形柱結構的問題的探討。文章在考慮鋼筋混凝土異型柱框架結構受力特點的方面，從內力組合與調整，軸壓比限值、結構布置等方面，針對結構抗震設計進行了分析與討論，從這些方面的分析當中來說明該結構抗震設計的問題。

關鍵詞：異型結構 軸壓比限值 結構內力 控制內力 結構布置

鋼筋混凝土異型柱結構建筑物是建筑和結構巧妙搭配，它不但滿足了建筑師的設計理念，可以“隨意布置”；還可以讓結構工程師在總的設計原則下，充分利用結構與材料的潛力，使結構既安全又經濟。

一、內力組合與調整

相對來說，建筑師比較歡迎鋼筋混凝土異型柱結構。由于異型柱結構在受力特點具有與傳統矩形柱結構不同，如肢寬厚比在2.5-4.0之間，柱肢薄而狹長，雙向壓彎作用明顯；經常會有梁縱、橫不貫通而很難用平面結構模型進行分析；異形截面只有一根或沒有對稱軸，造成異型柱結構的荷載方向敏感性等。

在結構內力計算時，一般會定義幾十種荷載工況，以便在構件設計時選取最不利的荷載組合進行配筋計算。通常的做法是選取Mx.max、My.max、My.min、Nmax、Nmin時的內力組合為控制內力，作為選取截面配筋的依據。對于矩形柱，在某一特定的N下，Mx－My雙向受彎的相關破壞曲線可以近似為一四分之一橢圓弧。且曲線關于X、Y軸是對稱的，可以認為選取兩個方向各自的彎矩最大時的內力組合為控制內力是較為可靠的；但Mx-My，相關破壞曲線自大小偏心的界限N值向上、向下漸收，尤其是軸壓比較大時相關曲線所包圍的面積減小較快，當某內力組合的N略小于Nmax而彎矩又較大時，可能使設計不安全。

對異型柱則更可能出現通常定義的控制內力不能包絡住構件的最不利受力狀態的情況。因為異型柱的Mx、－My，雙向受彎的相關破壞曲線呈明顯的不對稱性，且隨軸向壓力的變化，曲線的凸起形狀跟著有較大的變化，有的近乎反對稱。從空間的破壞曲面來看，其形狀更加凹凸不平，控制內力的可靠性必然會降低。

在工程設計中，比較容易出現類似算例中的情況可能有以下幾種：

第一，設計經常以軸力較大的下層柱的配筋來決定上層柱的配筋，若上層柱的彎矩較大，由于相關曲線形狀和所圍面積隨軸向力變化大，致使下部的配筋無法保證上層柱的安全；

第二，一些平面較不規則的異型柱結構，有地震作用參與組合時軸向壓力相差較大，由于軸壓比接近限值或較小時相關曲線所包圍的面積都較小，可能出現非傳統控制內力控制配筋的情況；

第三，異型柱結構進行空間結構分析時宜添加幾個荷載方向角，計算所得的構件內力往往四個象限均有，而L、T截面相關曲線明顯不對稱，在彎矩較大時可能出現傳統控制內力包絡不住的情況等。對控制內力不能包絡住構件的最不利受力狀態的問題，尚須對其所帶來的安全隱患的嚴重性和普遍程度做出評估，提出合理的解決方法，并應用到異型柱結構的設計程序中去，以減小手算工作量。

二、軸壓比限值

異型柱截面形式和尺寸比例多樣，軸向力和水平荷載角又各不相同，通常定義的大小偏心界限破壞并無固定值，且隨截面具體形狀、荷載角、配筋情況等變化很大，給異型柱軸壓比限值的確定帶來一定的困難。但從定性的角度上來說，異型柱由于會出現柱肢長向翼緣受壓情況，存在延性特別差的受荷方向，其廷性可能不如雙向受彎的矩形柱，從這個意義上講軸壓比限值應較矩形柱為嚴。

一、二、三級抗震等級的各類結構的框架柱和框支柱，其軸壓比N／(fcA)不宜大于表1規定的限值。對IV類場地上較高的高層建筑，柱軸壓比限值應適當減小。

應用日d應當注意—下的幾個方面：

1、軸壓比N／(fcA)指考慮地震作用組合的框架柱和框支柱軸向壓力設計值N與柱全截面面積A和混凝土軸心抗壓強度設計值fc乘積之比值，對不進行地震作用計算的結構，取無地震作用組合的軸力設計值；

2、當混凝土強度等級為C65-C70時，軸壓比限值宜按表中數值減小0.05；混凝土強度等級為c75-C80時，軸壓比限值宜按表中數值減小0.10；

3、剪跨比λ≤2的柱，其軸壓比限值應按表中數值減小0.05；對剪跨比λ<1.5的柱，軸壓比限值應專門研究并采取特殊構造措施，

4、沿柱全高采用井字復合箍，且箍筋間距不大于100mm、肢距不大于200mm、直徑不小于12mm，或沿柱全高采用復合螺旋箍，且螺距不于干100mm、肢距不大于200mm、直徑不小于12mm，或沿住全高采用連續復合矩形螺旋箍，且螺距不大于80mm、肢距不大于200mm、直徑不小于10mm時，軸壓比限值均可按表中數值增加0.10；上述三種箍筋的配箍特征值λv均應按增大的軸壓比由表11.4.17確定；

5、當柱截面中部設置由附加縱向鋼筋形成的芯柱，且附加縱向鋼筋的總面積不少于柱截面面積的0.8％時，其軸壓比限值可按表中數值增加0.05。此項措施與注4的措施同時采用時，軸壓比限值可按表中數值增加0.15，但箍筋的配箍特征值λv仍可按軸壓比增加0.10的要求確定；

6、柱經采用上述加強措施后，其最終的軸壓比限值不應大于1.05。

三、結構布置

異型柱結構高寬比，在7度抗震設防時不應超過5，8度抗震設防時不應超過4。純異型柱框架結構最大高度，在7度抗震設防時不應超過35米，在8度抗震設防時不應超過25米。異型柱結構應采用現澆結構。異型柱結構平面布置的一般原則是：在異型柱結構的一個獨立結構單元內，宜使平面形狀和剛度在兩個方向上均勻接近。異型柱的平面布置宜上、下、左、右接通對齊；梁的布景宜橫、縱貫通，并與異型柱柱肢的幾何軸線相重合。異型桂結構豎向布置的一般原則是：異型柱結構的豎向布置應規則、均勻，上下層柱交截面處異型柱截心應重合；不宜有過大的外挑、內收；樓面剛度沿豎向的變化要均勻。

總的來說異型柱結構，是現代建筑工程的一個代表性的特點，其所具有的一些獨特的結構特點和藝術美感，是傳統的規范式的結構所不能比擬的。那么，這就要求我們從事建筑工程設計方面的人員，能夠很好的掌握異型柱結構的設計方法。這樣便能夠使更多的、更合理的、更節能的、更富美感的時代建筑矗立在我們的生活當中，為我們的生活增添更多的色彩。

參考文獻：

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