異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計研究論文論文
摘要：本文詳細(xì)闡述了異形柱框架的受力特點，對設(shè)計實際工程中異形柱結(jié)構(gòu)的分析計算、構(gòu)造措施等方面進行了探討，并給出成功的工程設(shè)計實例。
關(guān)鍵詞：異形柱；框架
1前言
近年來，異形柱框架或異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種全新的結(jié)構(gòu)形式廣泛用于小高層住宅建筑中，相對于傳統(tǒng)的短肢剪力墻或框架結(jié)構(gòu)，能更好的滿足建筑需求且造價略有降低，因此具有更好的經(jīng)濟效益和社會效益。該結(jié)構(gòu)形式一般指同層內(nèi)異形柱數(shù)量超過柱總數(shù)量10％的框架或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，適用抗震設(shè)防烈度為6度或7度的地區(qū)。
2受力特點
異形柱是指柱截面擯棄了慣用的矩形柱，而采用多個小墻肢的組合截面柱子，由剪力墻演變而來。柱肢截面中各肢高厚比不大于4，常用的有L形、T形和十形，亦有采用Z形。柱肢寬度一般使用與墻體相同的厚度，一般為200～250mm，不大于300mm。肢長較大，《規(guī)程》規(guī)定不小于500mm，一般為600～800。除此之外，不等肢異形柱肢高比一般不超過1.6，各肢截面厚度不能相差過大。
雖然異形柱由剪力墻演變而來，但由于柱截面本身的特殊性，異形柱結(jié)構(gòu)的受力特點既不同于剪力墻結(jié)構(gòu)，也與普通框架相差很大，具有自己的獨特性，在荷載作用的結(jié)構(gòu)反應(yīng)更加復(fù)雜。國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析證明，異形柱的破壞形態(tài)有：彎曲破壞、小偏壓破壞、剪壓破壞等，影響破壞形態(tài)的因素主要有：荷載角、軸壓比、剪跨比、配箍率等。
2．1整體計算分析
異形柱的存在和不同的布置對結(jié)構(gòu)整個抗側(cè)力剛度影響很大，總體來講相對于同樣布置的同截面矩形柱結(jié)構(gòu)，異形柱結(jié)構(gòu)的整體性要好，剛度略由增強；而單結(jié)構(gòu)形式來講，異形柱結(jié)構(gòu)的剛度介于普通框架和框架剪力墻之間。文獻[2]對8度區(qū)－6層住宅分別采用矩形柱和異形柱框架進行設(shè)計，然后分別采用SATWE和CRSC程序?qū)Ρ确治觯Y(jié)果表明在地震作用下異形柱結(jié)構(gòu)的底部剪力要比矩形柱框架結(jié)構(gòu)大16％～26％左右，各層柱的平均剪力和節(jié)點剪力也比矩形柱框架大很多。異形柱結(jié)構(gòu)的受力特點介于普通框架柱和剪力墻之間，結(jié)構(gòu)的抗震性能比較差，在內(nèi)力分析計算時，既不能完全按普通框架柱，也不能完全照搬短肢剪力墻。
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絡(luò)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0°或90°，也就是說僅沿該兩個方向計算的正截面配筋并不能完全包絡(luò)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。對此，《規(guī)程》強制規(guī)定，7度及以上時地震作用尚應(yīng)對與主軸成45°方向進行補充驗算。
考慮到受力后異形柱結(jié)構(gòu)反應(yīng)復(fù)雜，抗震性能不好，為符合“三水準(zhǔn)兩階段”的抗震設(shè)計思路，地震作用計算后梁柱的內(nèi)力調(diào)整都相對要求更嚴(yán)格些。對此，目前國內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM并沒有體現(xiàn)出來，雖然可以建立異形柱的模型，但尚未增加異形柱這種結(jié)構(gòu)形式。其內(nèi)部的內(nèi)力調(diào)整和截面配筋計算仍然按照矩形柱或者短肢剪力墻的模式進行的，這難免會帶來誤差，有時可能相差甚遠(yuǎn)。天津大學(xué)開發(fā)的異形柱設(shè)計軟件CRSC尚未普及。
目前很多設(shè)計都是把異形柱作為短肢剪力墻，按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)利用PKPM等空間軟件進行分析設(shè)計，誤差大在所難免。相對精確的設(shè)計方法是：假設(shè)梁柱節(jié)點與普通框架梁柱節(jié)點相同，按等主軸剛度及等截面面積兩個條件把異形柱截面轉(zhuǎn)化成等效矩形柱截面，利用空間有限元分析程序進行內(nèi)力分析，求出柱的內(nèi)力重新按照有關(guān)異形柱截面的配筋計算公式進行截面配筋驗算。但這種等效轉(zhuǎn)化后的計算模型仍與實際結(jié)構(gòu)有較大出入，由于異形柱肢長比較大，與梁相交時梁柱重疊部分較大，形成類似與壁式框架的梁柱剛域，梁的計算長度大大減小，實際結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比計算模型大，導(dǎo)致地震力計算偏于不安全，文獻[3]對柱內(nèi)力在程序計算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以約1.1的放大系數(shù)或者加大周期折減度以適當(dāng)考慮其影響。但這也是權(quán)宜之計，且對于普通設(shè)計人員來講過于費時費力，不利于提高效率。
2．2正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力
柱肢截面的差異，導(dǎo)致柱肢平面內(nèi)外兩個方向的截面特性相差較大，異形柱截面在軸壓力及彎矩剪力共同作用下，正截面承載力的計算是一個十分復(fù)雜的問題，因為柱截面中和軸一般不與彎矩作用平面相垂直，也不與截面邊緣平行，其位置隨截面尺寸、混凝土強度、配筋率及荷載角等諸多因素的變化而變化。進而導(dǎo)致柱肢平面內(nèi)外兩個方向的慣性矩差異明顯，進而側(cè)向剛度相差較大，對不等肢的截面表現(xiàn)尤甚。因此普通柱正截面抗彎驗算的計算公式并不適用于異形柱，《規(guī)程》將異形柱截面劃分為有限個混凝土單元和鋼筋單元，仍然采用平截面假定給出了雙向偏壓的正截面承載力驗算公式。
由于多肢的存在，其截面的剪力中心往往在截面外，受力后主要依靠柱肢交點處的核心混凝土協(xié)調(diào)變形和傳遞內(nèi)力，導(dǎo)致各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的剪應(yīng)力和翹曲應(yīng)力，柱肢易首先出現(xiàn)裂縫，核心混凝土處于三向受剪狀態(tài)，變形能力降低，脆性破壞特征明顯。
異形柱的斜截面受剪承載力也隨荷載作用方向而變化，但對同一方向的地震作用由于翼緣的有利作用，通常比等面積矩形柱高，文獻[4]表明，T形截面柱的受剪承載力至少為同截面面積矩形柱的1.15倍，L形柱則基本相同。
2．3節(jié)點強度
普通框架只要梁柱截面滿足規(guī)范構(gòu)造要求，節(jié)點核心區(qū)面積大，除二級或更高抗震等級的節(jié)點外，一般不需要特別進行節(jié)點抗剪驗算。但異形柱框架的肢厚不大，節(jié)點核心區(qū)有效水平截面積小。另外，異形柱由于軸壓比的要求，通常肢長較大，相對同截面面積的矩形柱來講，剛度大，地震作用大，相應(yīng)的節(jié)點剪力比相同布置下(柱面積相等)的矩形柱結(jié)構(gòu)大很多。因此異形柱框架節(jié)點一般都需要驗算節(jié)點抗剪強度。同時，異形柱肢厚度偏薄，節(jié)點斜壓機制引起的.核心區(qū)斜壓力相對較大，鋼筋握裹性能差，施工質(zhì)量的可靠性也難以滿足。
異形柱截面形式的不同，其節(jié)點受剪承載力也差別較大。十形截面柱的翼緣布置在節(jié)點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。文獻[5]研究表明：L形、T形、十形柱節(jié)點的受剪承載力比具有相同有效截面的矩形柱節(jié)點分別低33％、17.5％、8％左右，且用于矩形柱框架節(jié)點抗剪驗算的公式已不適用于異形柱節(jié)點。在高烈度地區(qū)控制異形柱結(jié)構(gòu)適用高度的參數(shù)已不單單是柱軸壓比，而是節(jié)點區(qū)的強度。
3構(gòu)造措施
異形柱的受力情況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)延性相對較差，單純依靠目前的程序計算配筋尚難滿足結(jié)構(gòu)抗震的延性要求，因此必須加強構(gòu)造措施，從概念出發(fā)，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度。
3．1結(jié)構(gòu)平面布置
異形柱框架應(yīng)設(shè)計成雙向剛接梁柱抗側(cè)力體系，根據(jù)結(jié)構(gòu)平面布置和受力特點，可設(shè)計成部分異形柱部分矩形柱的形式，特別注意在受力復(fù)雜部分采用矩形柱。平面布置宜使結(jié)構(gòu)平面剛度均勻?qū)ΨQ，盡量控制或減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)：豎向布置注意體型力求簡單規(guī)則，避免過大的外挑內(nèi)收，避免樓層剛度沿豎向突變；柱網(wǎng)尺寸不易過大，一般不超過6m，柱矩大梁高也大，一方面建筑凈空難以滿足要求，另一方面柱承受的軸力也大，軸壓比高，于抗震不利。為保證梁板對異形柱節(jié)點的約束，宜采用現(xiàn)澆樓蓋。
3．2軸壓比及柱配筋
對于柱而言，控制其延性的因素很多，不管對矩形柱還是異形柱，軸壓比無疑是最重要的控制條件之一，其側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降，對異形柱更應(yīng)從嚴(yán)控制。這可以通過控制柱距、采用輕質(zhì)墻體、優(yōu)化結(jié)構(gòu)平面布置改善。柱肢端承受梁傳來的集中荷載，局部壓應(yīng)力大，可設(shè)置暗柱。曹萬林等《鋼筋混凝土帶暗柱異形柱抗震性能試驗及分析》表明：帶暗柱異形柱與普通異形柱相比，承載力及延性和耗能能力有顯著提高。
異形柱截面的剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪壓構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，導(dǎo)致柱脆性顯著，延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出現(xiàn)單純翼緣受壓，此時柱的延性最差，因此需要進一步提高異形柱的抗剪能力。除此之外，盡量避免短柱的出現(xiàn)，對剪跨比小的短柱要采取相應(yīng)的加強措施，以免形成薄弱環(huán)節(jié)。
3．3節(jié)點構(gòu)造
節(jié)點已經(jīng)成為異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，考慮到節(jié)點處鋼筋的錨固以及保證節(jié)點區(qū)混凝土澆筑的質(zhì)量，柱鋼筋數(shù)量不宜過多且直徑不宜過大。
4工程實例
長沙市某住宅樓長24.7m，寬14.5m,建筑面積3575m2左右，地上架空層一層，層高4.5m，住宅十一層，層高3.0m，最大建筑高度為39.0m，平面圖見圖1。該工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類。采用異形柱框架——剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級為三級，異形柱框架抗震等級為三級。采用SAIWE程序分析，各層間位移角見圖2，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。
5結(jié)語
異形柱結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景，但其受力性能具有自己的獨特性，目前仍需要進一步研究以完善設(shè)計理論，開發(fā)更適用的設(shè)計軟件，提高工程設(shè)計效率，便于推廣運用。
參考文獻：
[1]JGJ149-200，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。
[2]黃銳，抗震設(shè)防高烈度區(qū)異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的兩個問題，建筑結(jié)構(gòu)，2005(5)。
[3]沈偉，汪杰南京虎嘯小區(qū)09棟住宅異形框架設(shè)計，建筑結(jié)構(gòu)，2001(11)
[4]李建輝，論述異形柱輕型框架的設(shè)計，福建建筑高等專科學(xué)校學(xué)報，2000(2)。
[5]曹祖同，霞等，鋼筋混凝土異形柱框架節(jié)點強度的研究建筑結(jié)構(gòu)，1999(1)
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