異型框架柱結(jié)構(gòu)在工程中設(shè)計(jì)心得和分析

摘 要：近年來(lái)，隨著人們對(duì)房屋平面與空間布置的要求越來(lái)越高，對(duì)建筑設(shè)計(jì)布局有了新的要求。普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱對(duì)建筑平面與空間的分隔己越來(lái)越不能被房屋使用者所接受，因?yàn)樗苯佑绊懙绞覂?nèi)家具的布置及空間的使用。建筑師要求結(jié)構(gòu)工程師配合解決這個(gè)問(wèn)題，因而在框架結(jié)構(gòu)中以異形截面柱代替矩形柱的形式油然而生，本文詳細(xì)闡述了異形柱框架的受力特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)際工程中異形柱結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算、構(gòu)造措施等方面進(jìn)行了探討，并給出成功的工程設(shè)計(jì)實(shí)例。在此，筆者擬與廣大設(shè)計(jì)人員共同探討一下混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)心得與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：異形柱結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

異形柱框架或異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種全新的結(jié)構(gòu)形式廣泛用于多層，小高層住宅建筑中，相對(duì)于傳統(tǒng)的短肢剪力墻或框架結(jié)構(gòu)，能更好的滿(mǎn)足建筑需求且造價(jià)略有降低，因此具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

異形柱框架結(jié)構(gòu)是指全部或部分柱截面為L(zhǎng)形、T形、十字形（以L形柱作角柱，T形柱作邊柱，十字形柱作中柱），截面高與肢厚之比小于或等于4的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)施工圖紙，異形柱結(jié)構(gòu)的形狀也不再拘泥于L、T、十字型這些基本圖形，還出現(xiàn)了各種其他圖形，在計(jì)算時(shí)需要靈活應(yīng)對(duì)，適用抗震設(shè)防烈度為6度或7度的地區(qū)。

1 關(guān)于異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，實(shí)驗(yàn)研究及理論分析表明：異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載（作用）方向不同而有較大差異。在L形、T形和十字形三種異形柱中，以L形柱的差異最為顯著。當(dāng)異形柱結(jié)構(gòu)中混合使用等肢異形柱與不等肢異形柱時(shí)，則差異情況更為錯(cuò)綜復(fù)雜，成為異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算中不容忽視的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，異形柱在單調(diào)荷載特別在低周反復(fù)荷載作用下粘結(jié)破壞較矩形柱嚴(yán)重。對(duì)柱的剪跨比不應(yīng)小于1.5的要求，是為了避免出現(xiàn)極短柱，減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險(xiǎn)性，為了設(shè)計(jì)方便，當(dāng)反彎點(diǎn)位于層高范圍內(nèi)時(shí).柱的凈高與柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于3。

（2）異形柱多為兩肢、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力時(shí)要靠各肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力分布。由彈性分析知道這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢存在相當(dāng)?shù)穆N曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，其次對(duì)各肢相交之核心混凝土，使其單元應(yīng)力呈三維剪壓狀態(tài)，由此使異形柱較普通框架柱變形能力低，脆性破壞明顯。

（3）異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受剪承載力，是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié)。為確保安全，對(duì)抗震設(shè)計(jì)的二、三、四級(jí)抗震等級(jí)柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及非抗震設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，均應(yīng)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算。在設(shè)計(jì)中，尚可采取各類(lèi)有效措施，包括例如梁端增設(shè)支托或水平加腋等構(gòu)造措施，以提高或改善梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能。對(duì)于縱橫向框架共同交匯的節(jié)點(diǎn)，可以按各自方向分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算。

（4）異形柱作為壓剪構(gòu)件，由于其肢長(zhǎng)與肢寬之比以及肢寬等介于普通框架柱和剪力墻肢之間，說(shuō)明異形柱是介于兩者之間的一種“過(guò)渡性”構(gòu)件。試驗(yàn)和分析表明異形柱作為壓剪構(gòu)件，其破壞形態(tài)有：彎曲破壞，小偏壓破壞，粘接破壞，高壓剪破壞以及剪壓破壞，剪拉破壞和斜壓破壞。和其破壞形態(tài)相關(guān)的主要因素是：軸壓比、柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比（即剪跨比）、縱筋配筋率等。通過(guò)必要的構(gòu)造措施可以防止粘結(jié)、剪拉及斜壓等脆性破壞，提高柱肢的小偏壓及剪壓破壞的延性。

2 異形柱框架結(jié)構(gòu)在SATWE中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

SATWE能有效地分析混凝土異形柱的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)，在梁的剛度、荷載、及截面配筋計(jì)算時(shí)，充分考慮了異形柱框架結(jié)構(gòu)的特殊性。由于混凝土異形柱的柱肢較長(zhǎng)，梁、柱在節(jié)點(diǎn)處的重疊部分較大，合理的力學(xué)模型簡(jiǎn)化應(yīng)將重疊部分作為剛域，自重計(jì)算時(shí)不應(yīng)重復(fù)計(jì)算重疊部分的混凝土重量，SATWE軟件中對(duì)梁考慮了這樣的力學(xué)模型簡(jiǎn)化：

（1）梁的計(jì)算按扣除剛域后的梁長(zhǎng)計(jì)算：

（2）梁上的外荷載按梁兩端節(jié)點(diǎn)間長(zhǎng)度計(jì)算；

（3）截面設(shè)計(jì)按扣除剛域后的梁長(zhǎng)計(jì)算；

（4）梁端剛域的計(jì)算原則如下：

記梁兩端與柱的重疊部分長(zhǎng)分別為Di和Dj，梁長(zhǎng)為L(zhǎng)（即兩端節(jié)點(diǎn)問(wèn)的距離），梁高為H，則梁兩端的剛域的長(zhǎng)度分別為：

Dbi=Ma×（0，DiH/4） Dbj=Ma×（0，Dj-H/4）

扣除剛域后的梁長(zhǎng)為：LO=L-（Dbi+Dbj）

《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm。這是因?yàn)橹褫^小時(shí)，會(huì)造成梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼筋設(shè)置困難及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固強(qiáng)度不足，故限制肢厚不應(yīng)小于200mm，以保證結(jié)構(gòu)的安全及施工的方便。而限制肢高一方面為了滿(mǎn)足伸入柱內(nèi)的梁縱向鋼筋錨固長(zhǎng)度，另一方面是考慮柱雙向正截面承載力要求和雙向受剪性能的要求。異形柱結(jié)構(gòu)框架梁截面高度抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于400mm。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的非彈性變形較大時(shí)，貫穿節(jié)點(diǎn)的柱縱向鋼筋粘結(jié)退化與滑移加劇，甚至出現(xiàn)沿節(jié)點(diǎn)區(qū)柱縱向鋼筋全長(zhǎng)粘結(jié)破壞、現(xiàn)象發(fā)生。為保證其粘結(jié)應(yīng)力不致過(guò)大，避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，規(guī)定梁的高度、即節(jié)點(diǎn)高度不能太小。異形柱結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)條件可能不如普通框架節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)條件，故務(wù)必遵守此條規(guī)定。

對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在把握規(guī)范和在SATWE計(jì)算中還有許多需要注意的地方，這里僅列舉了部分的信息供大家參考。

3 關(guān)于異形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的實(shí)例相關(guān)分析

3.1 工程概況

某多層異形柱框架結(jié)構(gòu)，共6層。地震烈度為6度（設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g），框架抗震等級(jí)為四級(jí)。填充外墻為200厚MU5.0輕骨料混凝土空心砌塊（容重<13KN/m），填充內(nèi)墻為200厚MU5.0蒸壓加氣混凝土砌塊（容重<8kN/m）。

3.2 設(shè)計(jì)心得

在設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)時(shí)，最初將混凝土強(qiáng)度等級(jí)定為C25，但是計(jì)算得到的異形柱軸壓比超過(guò)規(guī)范規(guī)定限制，同時(shí)部分框架柱核心區(qū)節(jié)點(diǎn)域抗剪超過(guò)規(guī)范值。故修改柱混凝土標(biāo)號(hào)為C30，重新計(jì)算，滿(mǎn)足規(guī)范要求。計(jì)算中，框架柱會(huì)有節(jié)點(diǎn)域計(jì)算不通過(guò)，這時(shí)候我們就需要通過(guò)各種措施，比如增加混凝土標(biāo)號(hào)，增大柱截面面積等施工措施來(lái)保證節(jié)點(diǎn)域抗剪滿(mǎn)足要求。

異形柱截面形式的不同，其節(jié)點(diǎn)受剪承載力也差別較大。十形截面柱的翼緣布置在節(jié)點(diǎn)截面中間受力最大的部位，翼緣的作用得以充分發(fā)揮，節(jié)點(diǎn)受剪承載力與同截面面積的矩形柱相差不大，T形截面次之，L形相差最大，受剪承載力下降最大。有關(guān)研究表明：L形、T形、十形柱節(jié)點(diǎn)的受剪承載力比具有相同有效截面的矩形柱節(jié)點(diǎn)分別低33%、17.5%、8%左右，且用于矩形柱框架節(jié)點(diǎn)抗剪驗(yàn)算的公式已不適用于異形柱節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，考慮到節(jié)點(diǎn)處鋼筋的錨固以及保證節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑的質(zhì)量，柱鋼筋數(shù)量不宜過(guò)多且直徑不宜過(guò)大。通過(guò)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)構(gòu)造在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中起著非常重要的作用。尤其對(duì)于異形柱結(jié)構(gòu)而言，實(shí)際上是梁柱節(jié)點(diǎn)域的設(shè)計(jì)。

4 小 結(jié)

總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力特點(diǎn)，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(jì)算機(jī)分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結(jié)構(gòu)具有可靠的安全保證。

參考文獻(xiàn)

[1]于躍海.多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)改造與異形柱應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011年07期.

[2]朱杰江，袁濤，王堅(jiān).異形柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012年02期.

作者簡(jiǎn)介：汪楊（1982-），女，漢族，安徽合肥人，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。