異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

賀世強(qiáng)

榆林市恒泰建筑設(shè)計(jì)有限公司

異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

賀世強(qiáng)

榆林市恒泰建筑設(shè)計(jì)有限公司

隨著人們對(duì)住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來(lái)越高，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已越來(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。異型柱框架結(jié)構(gòu)體系在一定程度上滿足了上述要求，它博采了框架及剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，它將是今后住宅結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向之一。

異型柱；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法

1　異形柱及異形柱結(jié)構(gòu)的定義

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GJ149-2006）對(duì)異形柱的定義是：截面幾何形狀為L(zhǎng)形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比（肢柱截面高度與厚度的比值）不大于4的柱。

所謂異形柱框輕結(jié)構(gòu)即是由異形（T型、L型、十字型）柱組成框架，由輕質(zhì)填充墻所形成的結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑布置及結(jié)構(gòu)受力的需要，異形柱結(jié)構(gòu)中的框架柱，可全部采用異形柱，也可部分采用一般框架柱。《規(guī)程》中目前僅列入T型、L型、十字型三種截面形式的異形柱，因此對(duì)此三種截面形式在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，積累的實(shí)驗(yàn)研究、理論研究及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)較多。而對(duì)其他形狀截面的柱，由于目前缺乏充分的研究成果而未列入，為適應(yīng)異形柱結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要，有待今后進(jìn)一步研究充實(shí)。

2　異型柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有關(guān)問(wèn)題

2.1結(jié)構(gòu)平面布置

異型柱框架結(jié)構(gòu)的平面布置，除應(yīng)遵守一般框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施、相關(guān)規(guī)定、設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)考慮自身的特點(diǎn)，注意以下幾點(diǎn)：

（1）異形柱結(jié)構(gòu)宜采用規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，異形柱結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)立單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)的平面形狀宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱、減小偏心，剛度和承載力分布宜均勻；

（2）建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則、均勻，避免過(guò)大的外挑和內(nèi)收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯(cuò)層；

（3）結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化，避免抗測(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力豎向的突變，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度不宜在同一層變化。

2.2設(shè)計(jì)方法

異型柱和矩形柱的截面形式差異很大，不能簡(jiǎn)單把矩形柱的計(jì)算方法應(yīng)用到異型柱中，異形柱結(jié)構(gòu)的分析模型應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況，內(nèi)力和唯一分析應(yīng)采用空間分析模型，可選擇空間桿系模型、空間桿-薄壁桿系模型、空間桿-墻板元模型或其他組合有限元模型。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題

（1）用TAT程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，按異形柱模式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，應(yīng)適當(dāng)增加抗地震力；

（2）在一般的矩形柱的多層框架結(jié)構(gòu)中側(cè)移多不起控制作用，而對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)，由于側(cè)向剛度較小，有時(shí)側(cè)移會(huì)超過(guò)規(guī)范允許值；

（3）剪跨比不大與2的柱及因設(shè)置填充墻等形成的對(duì)柱的凈高與柱截面長(zhǎng)邊尺寸之比小于4的異形柱，應(yīng)沿柱高全高加密箍筋，以減小地震作用下柱剪切脆性破壞的危險(xiǎn)性和改善柱的變形性能；

（4）異形柱結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算，一般情況下，應(yīng)允許在結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算，各方向的水平地震作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)，7度（0.15g）及8度，（0.20g）時(shí)尚應(yīng)對(duì)與主軸成方向進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算；

（5）位于L形柱角處的縱向受力鋼筋為雙向共用；

（6）為安全起見(jiàn)，對(duì)抗震等級(jí)三級(jí)及三級(jí)以上的結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，以保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的可靠性；

2.3構(gòu)造設(shè)計(jì)

（1）柱壁厚度和砼標(biāo)號(hào)的選擇 異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm；混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25～C50；異形柱的剪跨比宜大于2，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于1.5。

（2）縱向鋼筋和箍筋 因異形柱肢厚薄，為節(jié)點(diǎn)施工方便，縱向受力鋼筋每邊不宜過(guò)多，宜用2根，且應(yīng)選取較大直徑鋼筋以減少根數(shù)。

3　異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造的設(shè)計(jì)心得

（1）《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，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。梁截面高度太小會(huì)使柱縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)錨固長(zhǎng)度不足，容易引起錨固失效，損壞節(jié)點(diǎn)的受力性能，特別是地震作用下的抗震性能，為避免上述現(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。

（2）《異規(guī)》第6.1.4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。根據(jù)近年異性柱結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐，肢厚小于200mm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。

（3）《異規(guī)》第6.3.5.1條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)二、三級(jí)抗震等級(jí)，貫穿中柱的梁縱向鋼筋直徑不宜大于該方向肢柱截面高度hc的1/30，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40及以上時(shí)可取1/25，且縱向鋼筋直徑不應(yīng)大干25mm。矩形柱框架的框架梁縱向鋼筋伸入節(jié)點(diǎn)后，其相對(duì)保護(hù)層一般能滿足，而異形柱的c/d大部分僅為2.0左右，根據(jù)變形鋼筋粘結(jié)錨固強(qiáng)度公式分析對(duì)比可知，后者的粘結(jié)能力約為前者的0.7。為此，規(guī)定抗震設(shè)計(jì)時(shí)，梁縱向鋼筋直徑不宜大于該方向柱截面高度的1/30。由于粘結(jié)錨固強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的提高而提高，當(dāng)采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C40以上時(shí)，可放寬到1/25。

（4）《異規(guī)》第6.3.5.4條及表6.3.5給出了異形柱結(jié)構(gòu)框架梁梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率。這比《抗規(guī)》第6.2.3條規(guī)定的梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不應(yīng)大于2.5%要嚴(yán)格。這是因?yàn)椋诘卣鹱饔媒M合內(nèi)力作用下，梁支座處縱向鋼筋有可能在節(jié)點(diǎn)一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，對(duì)于異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)更易引起縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的錨固破壞。

［1］混凝土異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（ JGJ149-2006）［S］.

［2］大開(kāi)間住宅鋼筋混凝土異型柱框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（DB29-16-98）［S］.