建筑異形柱結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)研究

■梅神兵，李學(xué)芳 ■.天津市醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，天津 300040;.天津市建筑工程職工大學(xué)，天津 300074

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加速，城市建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展空間越來越廣闊，由于人們對(duì)建筑的功能、造型、空間分布等的嚴(yán)格要求，更多新型的建筑結(jié)構(gòu)被提出并被應(yīng)用，其中就有異形柱結(jié)構(gòu)，但由于其起步較晚，無論是在受力特性還是設(shè)計(jì)計(jì)算方法上設(shè)計(jì)人員都未能有深刻的認(rèn)識(shí)，所以為確保該結(jié)構(gòu)在建筑中科學(xué)有效的應(yīng)用，筆者就結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，將對(duì)其做以下分析。

1 基本設(shè)計(jì)規(guī)定及特點(diǎn)

通常指截面的形式與常規(guī)矩形面不同的柱結(jié)構(gòu)為異形柱結(jié)構(gòu)。其截面的形狀分別為十字形、L 與T 形，屬于截面各肢的高厚比≯4 的柱形，其肢厚與墻面厚度相同，高≮500 mm，此外，若異形柱結(jié)構(gòu)各肢長度相等，還可分為兩種形式即等肢和不等肢，前者適用于抗震設(shè)計(jì)中，在建筑中應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的能符合建筑物的功能及空間布置要求，其應(yīng)用的前提需滿足結(jié)構(gòu)剛度及承載能力等。而通過對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的分析，筆者認(rèn)為其有以下特點(diǎn):(1)由于異形柱肢厚和柱肢高厚不一，其不具備良好的抗扭性，當(dāng)應(yīng)力集中在相交處時(shí)易引起嚴(yán)重的翹曲變形，因此平面壓力布置需簡單對(duì)稱，尤其是要均勻質(zhì)量的分布剛度和承載力，并對(duì)齊拉通縱橫向框架柱，方能有效降低地震時(shí)發(fā)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，此外，還可合理布置部分剪力墻或一般框架柱到薄弱部位，針對(duì)不規(guī)則異形柱結(jié)構(gòu)在《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中還有著更嚴(yán)格的要求。(2)該結(jié)構(gòu)肢厚度不大，與普通矩形柱相比延性不足，而影響異形柱形態(tài)破壞及延性最關(guān)鍵的因素是軸壓比。由于異形柱形態(tài)為多肢體，通常很難重合剪力中心與截面的形心，各柱肢需同時(shí)承受正應(yīng)力和剪應(yīng)力，所以異形柱結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力作用下比普通矩形柱更容易發(fā)生腹剪裂縫，以至于異形柱多呈脆性，其變形能力無法高于普通矩形柱。基于此，《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中更嚴(yán)格的要求著異形柱軸壓比限值，是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中矩形柱要求所無法的比擬的，因此，設(shè)計(jì)異形柱結(jié)構(gòu)的工程時(shí)，軸壓比的控制必須嚴(yán)格按規(guī)程要求執(zhí)行，進(jìn)而減小異形柱發(fā)生裂縫等問題，實(shí)現(xiàn)其變形能力的最大化提高，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的要求。(3)由于異形柱結(jié)構(gòu)截面形狀不同于矩形柱截面形狀，因此常在雙向偏心壓力下無法與彎矩作用方向垂直，更難以平行截面邊緣，所以當(dāng)截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配筋等原因影響下發(fā)生位置變化偏移的現(xiàn)象，也導(dǎo)在雙向偏心壓力作用下異形柱的受力性能將變得極為復(fù)雜。

2 建筑異形柱結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于和普通矩形柱不同，異形柱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)更鮮明，所以比較起普通結(jié)構(gòu)而言起來異形柱結(jié)構(gòu)在地震設(shè)防地區(qū)差異較大，常常會(huì)受到水平荷載作用影響下如地震、風(fēng)荷載等，因其不對(duì)稱性的截面而陷入雙向偏心受壓狀態(tài)，促使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力大幅度降低。由此，針對(duì)這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中要視其為空間體系，尤其是計(jì)算分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移時(shí)，選用的設(shè)計(jì)軟件或程序需以自帶異形柱單元的為主，不過實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，不少設(shè)計(jì)人員長將其與異形柱建模搞混淆，但實(shí)質(zhì)上這兩者是無法相提并論的，其不僅存在本質(zhì)性的受力狀態(tài)差異，這種同等設(shè)計(jì)計(jì)算的做法更是難以確保合理性和安全性，因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初務(wù)必要特別注意這方面，進(jìn)行合理規(guī)范的設(shè)計(jì)。

此外，若是設(shè)計(jì)軟件、程序未提供自帶異形柱單元給設(shè)計(jì)人員，可采用薄壁桿件模型處理異形柱的結(jié)構(gòu)等效。就其框架而言，可采用等效折算處理異形柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)件剛度，通常在利用自帶異形柱單元的設(shè)計(jì)軟件中計(jì)算分析出的異形柱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移，可以普通框架結(jié)構(gòu)做等效折算處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行代替。不過這里有極為關(guān)鍵的一點(diǎn)是，異形柱軸壓比并非做等效折算后普通矩形柱框架結(jié)構(gòu)中的軸壓比，其主要原因在于同等剛度的異形和矩形的面柱，前者柱面面積＞后者，1.1-1.3 為兩者面積的比值。在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要取得正確的軸壓比需擴(kuò)大矩形柱與異形柱的柱面面積比值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 總配筋率取最小值

全部受力縱筋在截面內(nèi)與其的比例便是總配筋率，建議異形柱總配筋率取值時(shí)，要以不斷提高的肢端配筋率，和規(guī)范中矩形截面柱的有關(guān)規(guī)定為依據(jù)，并結(jié)合工程實(shí)際取最小值為佳，下圖為總配筋率取值表:

2.3 配筋設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)同一截面內(nèi)的框架柱，采用相同直徑但其直徑在25 mm-14 mm之間的鋼筋為縱向受力鋼筋，同時(shí)，當(dāng)間距超出250 mm必須設(shè)置縱向構(gòu)造筋，縱向構(gòu)造筋的直徑不能低于12 mm，此外要注意拉筋設(shè)置，其間距必須是箍筋間距兩倍柱截面厚度，若間距比200 mm小時(shí)每排不能設(shè)置2 根以上的縱向受力鋼筋，箍筋末端的長度需大于135 mm，且要確保彎鉤端頭直段長度大于10al(箍筋直徑al)，柱截面層間柱凈高及長邊尺寸的500 mm和1/6 間最大值為箍筋加密區(qū)長度。

(2)在設(shè)計(jì)框架節(jié)點(diǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生異形柱肢寬同等框架梁截面寬度，或是其寬度每側(cè)凸出小于柱邊50 mm時(shí)，縱向受力鋼筋在梁四角上的需設(shè)置立柱邊不小于800 mm的位置，若是坡度在滿足小于1/25 的情況下，框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)需彎折伸入縱向柱筋。但其任一側(cè)凸出不小于柱邊50 mm時(shí)，縱向受力鋼筋伸入梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)可直接在該側(cè)梁角上由外側(cè)將本肢柱筋伸入。

(3)連接填充墻和柱時(shí)，最常用到的連接技術(shù)便是以輕質(zhì)墻體材料進(jìn)行可靠的連接。當(dāng)在于砌體填充墻連接時(shí)，其與框架的交接處必須沿高度每隔500 mm砌體進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的鋼筋與柱拉結(jié)。此外，要注意由柱每邊伸出進(jìn)入墻內(nèi)的鋼筋長度:沿填充墻全長設(shè)置Ⅱ級(jí)抗震;Ⅲ級(jí)抗震長度不能小于填充墻的長度1/5，也就是不能小于700 mm。

2.4 其他相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于施工場地等因素的不同，在選擇鋼筋等材料時(shí)也不相同，其選擇需按實(shí)際情況而定，不過其多采用的還是HRB400 鋼筋。而在設(shè)計(jì)梁板與柱時(shí)，其混凝土的強(qiáng)度等級(jí)分別為C30 和C35，與混凝土異形柱結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)定要求相符。為扭轉(zhuǎn)其不規(guī)則結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其各項(xiàng)水平位移平均值比值為1.22，這里提到的位移比值指的是:樓層豎向構(gòu)件最大水平及層間與該樓層兩端彈性水平及層間的位移比值，由于其比值與規(guī)范規(guī)定的1.45 要求更小，因此能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。此外，在設(shè)計(jì)其梁、柱截面構(gòu)造時(shí)，異形柱面的肢厚設(shè)計(jì)在200 mm與300 mm之間，肢高未低過500 mm，同時(shí)框架梁面高度在設(shè)計(jì)時(shí)不能低于400 mm，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)要確保粱面和柱面的寬度等同。

3 總結(jié)

總而言之，在當(dāng)前的建筑業(yè)中異形柱結(jié)構(gòu)是運(yùn)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用前景遠(yuǎn)比普通混凝土矩形柱要寬廣，因此，作為建筑設(shè)計(jì)師要懂得審時(shí)度勢(shì)，盡可能的與市場需求相符，深入理解異形柱結(jié)構(gòu)的概念、特點(diǎn)及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，尤其是要嚴(yán)密控制影響該結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理，并能有效得利用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模和計(jì)算結(jié)果分析，才能確保設(shè)計(jì)達(dá)到美觀實(shí)用安全。

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