異型柱框架結構設計探討

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摘 要：從異型柱框架結構的自身受力特點出發(fā)，結合工程實踐經(jīng)驗提出了異型柱在住宅結構設計中應注意的相關問題。關鍵詞：異型柱 框架結構 設計方法

  一、概述 隨著我國住宅產(chǎn)業(yè)的迅速 發(fā)展 以及人們對住宅建筑使用要求的不斷提高，普通的矩形框架柱會給室內裝飾和家具布置帶來極大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面積，這對住宅結構設計提出了一項新的要求。異型柱框架結構體系在一定程度上滿足了上述要求，從結構受力角度來說，它博采框架加剪力墻體系之長，平立面布置近于框架結構，柱的截面形式又不拘泥于矩形，將截面積向工程軸外鋪開成T形、十字形、L型等，用較少的混凝土材料，獲得了較大的剛度；同時配合輕質填充墻的使用，結構重量比一般框架更輕。適中的剛度和較輕的自重，對減小地震作用很有利，是一種 經(jīng)濟 合理的抗震住宅結構體系。二、異型柱受力特點異型柱結構與普通框架結構相比，有如下受力方面的特點：1．根據(jù)建筑上的需要，異型柱在房間的分隔墻交點處靈活布置，平面剛度疏散均勻，經(jīng)常會有梁縱、橫不貫通，結構較難簡化為平面結構 計算 ；2．立面剛度分布較均勻，異型柱與輕質砌體填充墻在彈性階段共同工作性能良好；3．柱采用T形、L形、十字形等截面形式，肢寬厚比在2.5~4.5之間，柱肢薄而狹長，雙向壓彎效應明顯；4．異形截面僅有一根對稱軸或沒有對稱軸，對荷載的方向角敏感，抗扭剛度較差，相應地也造成異型柱結構的荷載方向敏感性，且稍有不對稱或偏心，抗扭能力降低較大；5．異形截面的柱肢角部是明顯的薄弱部位，尤其是梁底與柱肢交界斷面的柱肢角部，應力集中嚴重；6．異型柱結構的梁高寬比大，柱肢狹長，使梁柱重疊部分多，在梁端一定范圍形成剛域；同時節(jié)點區(qū)較大而薄，在彈塑性階段，應計入節(jié)點區(qū)變形對結構變形的影響；7．異型柱結構的節(jié)點區(qū)的受力性能與矩形柱節(jié)點有較大區(qū)別，一方面由于梁柱薄，施工時混凝土不易振搗密實，再加上梁柱交接處應力集中和后期破壞較重，削減了節(jié)點核心區(qū)的有效體積，使節(jié)點抗剪承載力降低；另一方面，節(jié)點區(qū)破壞部位向梁端的外移，又緩解了節(jié)點區(qū)受力的復雜程度，有利于強節(jié)點的實現(xiàn)。三、異型柱框架結構設計中的有關問題1．結構平面布置異型柱框架結構的平面布置，除應遵守一般框架結構的構造措施、相關規(guī)定、設計要求外，還應考慮自身的特點，注意以下幾點：（1）平面布置宜盡量對稱，兩個主軸方向要協(xié)調，使合力中心盡可能和剛度中心重合，減少偏心距，盡量減少因扭轉產(chǎn)生的不利影響；（2）考慮采用雙向承重體系，并縱橫向相連接（3）各柱肢應盡量對齊，使柱肢與梁一起構成較規(guī)則、多跨的抗側力體系。筆者認為，異型柱設計的目的主要是合理解決小面積房屋的使用問題，應重點布置在房屋中影響房間使用的墻角部位，其它部位從受力合理和施工方便兩個方面考慮宜采用矩形截面柱。這樣兼顧了使用和經(jīng)濟兩個方面，充分發(fā)揮了異型柱使用和受力的特點創(chuàng)造出每平方米建筑面積用鋼量較低的好指標。2．設計方法異型柱和矩形柱的截面形式差異很大，不能簡單把矩形柱的計算方法應用到異型柱中。目前，國內可直接進行異型柱截面內力計算和截面設計的軟件有建研院的ＴＡＴ、ＳＡＴＷＥ程序，廣東省建院的ＳＳ、ＳＳＷ程序以及天津大學的鋼筋砼異型柱結構配筋計算程序ＣＲＳＣ。這些程序均用數(shù)值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結構安全性要求?？紤]到上述兩種規(guī)程作為地方標準，具有一定局限性，在設計中還應注意以下幾個問題（1）按肢長與肢寬之比定義異形柱或短肢墻很大程度是為了學術上的便利。但用TAT程序進行結構整體計算時，按異形柱模式可能導致結構剛度下降，應適當增加抗地震力；當按短肢剪力墻模式計算可使梁配筋偏小，應適當調整配筋；（2）在一般的矩形柱的多層框架結構中側移多不起控制作用，而對于異形柱框架結構，由于側向剛度較小，有時側移會超過規(guī)范允許值；（3）對柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比小于4的異形柱，應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性和改善柱的變形性能；（4）因荷載方向角的任意性，在異形柱內折角處也應設置相同直徑的受力筋；（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，對抗震等級三級及三級以上的結構，應對節(jié)點進行計算，以保證節(jié)點區(qū)的可靠性；（7）施工過程中對異形柱及其節(jié)點區(qū)應加以重視，采用骨料粒徑較小的混凝土進行澆筑，以確保施工質量。3．構造設計（1）柱壁厚度和砼標號的選擇參照規(guī)范及實踐經(jīng)驗來看，柱肢的厚度最小不少于160ｍｍ，一般常采用200ｍｍ 比較合理。對于８層及以上框架其下面兩層梁柱節(jié)點處的鋼筋有時顯得比較密集，因此不宜減薄。在梁跨度較大時，柱子往往顯得截面不足，軸壓比太大，鋼筋過分密集。因此最好把一二層柱砼標號提高到 C30左右，避免采用加大壁厚的方案。（2）縱向鋼筋和箍筋縱向受力鋼筋選用時，數(shù)量宜少，直徑宜大，一般只要不大于Ф25均應選較大的直徑減少根數(shù)，而每邊鋼筋的數(shù)量宜用2根，多則做兩排配置。底層每邊鋼筋的數(shù)量也可以用3根，但穿出樓面的柱筋每邊單排配筋還是不要多于2根為宜，否則節(jié)點施工困難。縱向構造鋼筋在柱肢寬較大時應該設置，以保證縱向鋼筋間距不大于350mm的規(guī)范要求，因為異型柱的縱向構造鋼筋比較多，因此其直徑的選取也是影響 經(jīng)濟 技術指標的一項因素，根據(jù)我國鋼筋砼設計規(guī)范和國外有關資料以及有關剪力墻的構造規(guī)定，筆者認為取Ф12、Ф14還是比較合理的，不必選用更粗的鋼筋。箍筋的設置對抗震設防的影響很大，按我國抗震設計規(guī)范中有關規(guī)定及 參考 國內外有關資料，建議箍筋最小直徑可以選用Ф6，在加密區(qū)的間距為100mm，在非加密區(qū)的間距為200mm。（3）軸壓比限值異形柱在單調荷載，特別在低周反復荷載作用下，粘結破壞較矩形柱嚴重，延性比普通矩形柱差，因此，異形柱的軸壓比限值比矩形柱嚴格得多。天津《規(guī)程》根據(jù)截面類型、箍筋間距與縱筋直徑比s/d、箍筋直徑dv和抗震等級確定，在0.3~0.7之間波動，比矩形柱結構的柱軸壓比限值低很多。所以，在程序試算后，應按上述條件初步確定出各柱的軸壓比具體限值，并在配筋簡圖中仔細查看各層柱的 計算 軸壓比是否有超限的。因為此時異形柱的實配縱筋和箍筋還是未知的，PKPM程序無法判斷每個柱的軸壓比具體限值，只有在軸壓比超過矩形柱結構的軸壓比限值時，程序才會報告軸壓比超限。因此，異形柱的軸壓比超限，必須逐一手工核算。四、結束語異型柱框架結構的平面布置比普通矩形柱框架靈活，可以較好滿足建筑功能的要求，具有良好的 發(fā)展 前景，結構設計人員應充分了解異型柱的受力特點，正確把握設計要點，確保工程結構安全可靠，經(jīng)濟合理。參考 文獻 [1] ＤＢＪ／TIS－1S－95鋼筋混凝土異型柱設計規(guī)程.[S] .[2] DB29－16－98大開間住宅鋼筋混凝土異型柱框架結構技術規(guī)程.[S].[3] GB S0010－2002混凝土結構設計規(guī)范.[S].