異形柱設(shè)計(jì)概論

葉　帥

【摘要】隨著國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》頒布,砼異形柱結(jié)構(gòu)以建筑美觀、使用功能的靈活性和建筑結(jié)構(gòu)合理的受力性能相結(jié)合,受到房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商和廣大用戶的歡迎,由于其符合室內(nèi)布置的要求,且與填充墻連接良好,在我國(guó)許多省市的住宅建筑已有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】異形柱 扁平柱 PKPM

一、異形柱的概念

異形柱是指截面肢厚小于300mm的L、T、+形的截面柱。建筑界所講的“異形柱”,特點(diǎn)是截面肢薄,由此引起構(gòu)件性能與矩形柱性能的包括受力、變形、構(gòu)造做法等一系列差異。制定規(guī)程主要是針對(duì)肢厚200、250mm的異形柱。其形式與短墻肢相似,若肢較長(zhǎng)就稱短墻肢,很難劃分兩者的界線。

其中“Z”、“一”形柱未列入規(guī)程的原因如下。

第一,“Z”形柱在實(shí)際工程中,應(yīng)用很多?！癦”形截面柱與“一”形截面柱類似,即兩主軸方向抗彎能力相差甚大,多數(shù)情況下是Z形的上下兩水平肢受與其方向一致的力,即由兩根梁傳來(lái)的拉力或壓力,這只有通過(guò)中間肢的受扭來(lái)傳遞,后果只能是中間肢的斷裂?！癦”形異形柱目前研究的不是很多,但在實(shí)際工程還是有用的。如果結(jié)構(gòu)中只是個(gè)別柱為Z形,可以采用加強(qiáng)構(gòu)造的設(shè)計(jì)。

第二,“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風(fēng)荷載作用下還是在地震作用下結(jié)構(gòu)中的柱一般都是受到兩個(gè)方向的彎矩同時(shí)作用,其受力后的表現(xiàn)可想而知,它在雙向剪力作用下性能也不好,由GB50010柱雙向受剪承載力計(jì)算公式可見(jiàn),柱截面相鄰兩邊長(zhǎng)相差越多,其斜向受剪承載力越低。

二、底層減柱的限制

第一,落地的框架柱應(yīng)連續(xù)貫通房屋,框架柱應(yīng)連續(xù)貫通轉(zhuǎn)換層以上的所有樓層。底部抽柱數(shù)不宜超過(guò)轉(zhuǎn)換層相鄰上部樓層框架柱總數(shù)的30%,轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的框架柱不應(yīng)采用異形柱。底部抽柱帶轉(zhuǎn)換層的異形柱結(jié)構(gòu)可用于非抗震設(shè)計(jì)和6度、7度抗震設(shè)計(jì)的房屋建筑。

第二,帶轉(zhuǎn)換層的異形柱結(jié)構(gòu)在地面以上大空間的層數(shù),非抗震設(shè)計(jì)不宜超過(guò)3層;抗震設(shè)計(jì)不宜超過(guò)2層;底部抽柱帶轉(zhuǎn)換層異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度不少于10%,且框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)超過(guò)6層?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu),非抗震設(shè)計(jì)不應(yīng)超過(guò)12層,抗震設(shè)計(jì)不應(yīng)超過(guò)10層。

第三,不落地的框架柱應(yīng)直接落在轉(zhuǎn)換層主結(jié)構(gòu)上。托柱梁應(yīng)雙向布置,可雙向均為框架梁,或一方向?yàn)榭蚣芰?另一方向?yàn)橥兄瘟?轉(zhuǎn)換層上部異形柱向底部框架柱轉(zhuǎn)換時(shí),下部框架柱截面的外輪廓尺寸不宜小于上部異形柱截面外輪廓尺寸。轉(zhuǎn)換層上部異形柱截面形心與下部框架柱截面形心宜重合,當(dāng)不重合時(shí)應(yīng)考慮偏心的影響;

第四,轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比宜接近1。轉(zhuǎn)換層上、下部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比可按國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002第E.0.2條的規(guī)定計(jì)算。規(guī)程不允許次梁轉(zhuǎn)換(二次轉(zhuǎn)換)。

第五,轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30;轉(zhuǎn)換層樓面應(yīng)采用現(xiàn)澆樓板,樓板的厚度不應(yīng)小于150mm,且應(yīng)雙層雙向配筋,每層每方向的配筋率不宜小于0.25%。樓板鋼筋應(yīng)錨固在邊梁或墻體內(nèi);

第六,托柱框架梁的截面寬度,不應(yīng)小于梁寬度方向被托異形柱截面的肢高或一般框架柱的截面高度;不宜大于托柱框架柱相應(yīng)方向的截面寬度。托柱框架梁的截面高度不宜小于托柱框架梁計(jì)算跨度的1/8;當(dāng)雙向均為托柱框架時(shí),不宜小于短跨框架梁計(jì)算跨度的1/8。托柱次梁應(yīng)垂直于托柱框架梁方向布置,梁的寬度不應(yīng)小于400mm,其中心線應(yīng)與同方向被托異形柱截面肢厚或一般框架柱截面的中心線重合。

第七,注解:直接承托不落地柱的框架稱托柱框架,直接承托不落地柱的框架梁稱托柱框架梁,直接承托不落地柱的非框架梁稱托柱次梁。

三、應(yīng)用范圍及特點(diǎn)

異形柱應(yīng)用在7度設(shè)防以下。在異形柱結(jié)構(gòu)中使用扁平柱是可以的,建議最小厚度取250,梁縱筋用3級(jí)鋼,直徑不超過(guò)12。各項(xiàng)驗(yàn)算同普通框架柱,構(gòu)造和軸壓比建議控制更嚴(yán)格一些。因“一”形異形柱不提倡用,在某工程上缺了還不行,沒(méi)辦法可用扁平柱,其計(jì)算按矩形柱方法計(jì)算。

地震力系數(shù)放大,自振周期折減。因用異形柱導(dǎo)致剛度下降,使得地震力減小,應(yīng)采用地震力放大系數(shù)來(lái)適當(dāng)?shù)卦黾拥卣鹆?。?jì)算各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期,應(yīng)考慮非承重填充墻體對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響予以折減。

四、截面定義輸入

異形柱截面有T形、十形、L形,對(duì)一字形、Z字形規(guī)程未列入應(yīng)用,在PMCAD截面定義中輸入T形按2截面工形輸入,不用的地方輸0;十形按6截面十形輸入;L形用5截面槽鋼形輸入。其寬均為240,肢長(zhǎng)為600。輸入軸線節(jié)點(diǎn)處應(yīng)注意偏心材料應(yīng)定為砼。為減少輸入偏心轉(zhuǎn)角的麻煩,在定義時(shí)要多定幾個(gè)不同的截面類型。

五、配筋計(jì)算及施工圖畫法

配筋計(jì)算如下:采用雙偏壓、拉計(jì)算,箍筋采用雙剪箍。異形柱肢長(zhǎng)與肢寬比≤4時(shí),否則應(yīng)考慮梁的剛域。這時(shí)梁柱重疊部分,按剛域參數(shù)考慮。

施工圖畫法如下:a全樓柱鋼筋歸并;b平面柱大樣畫法畫異形柱施工圖,應(yīng)注意箍筋加密與普通柱相同;柱分布筋之間設(shè)拉筋,其直徑同箍筋,間距是箍筋的2倍;橫向肢、豎向肢分別按計(jì)算配置一個(gè)矩形箍筋,并分別滿足X、Y向計(jì)算箍筋面積的要求;c豎向筋要滿足最小間距要求,采用對(duì)稱配筋,一排排不下,程序自動(dòng)放兩排;按固定鋼筋和分布筋的構(gòu)造要求分別配制固定鋼筋和分布筋。d在核心區(qū)箍筋相交處,若無(wú)主筋時(shí),應(yīng)設(shè)豎向架立筋如T形柱內(nèi)側(cè),架立筋為構(gòu)造筋,隱含直徑D=14mm。

六、其它

頂層托斜層頂?shù)?角)柱,規(guī)程對(duì)此沒(méi)有涉及,它所受軸力、彎矩均不大,柱本身強(qiáng)度不會(huì)成問(wèn)題,關(guān)鍵是房屋頂部結(jié)構(gòu)整體性能,設(shè)計(jì)人員自己把握抗震設(shè)計(jì)的異形柱結(jié)構(gòu)不應(yīng)有錯(cuò)層,原因是免形成短柱。這里的錯(cuò)層是指規(guī)范和高規(guī)中的“較大的錯(cuò)層”。抗震設(shè)計(jì)時(shí),框架柱的凈高與柱截面長(zhǎng)邊之比不宜小于4,不應(yīng)小于3。一般樓梯處易出現(xiàn)短柱,為此在樓梯間兩側(cè)布置剪力墻其它地方以異型柱為主。異形柱在斜向水平荷載作用下,其受剪承載力的平面圖形為梅花狀,等肢情況下異形截面柱受剪承載力在各象限圖形是凸的。

在斜向剪力下,如果按X、Y兩個(gè)分量分別配筋滿足要求的話,其斜向承載力也能滿足要求。由以上原因,異形柱規(guī)程規(guī)定異形柱的斜截面承載力可以分X、Y向分別進(jìn)行設(shè)計(jì),不等肢情況時(shí),該圖形的凸出程度要差一些,兩肢長(zhǎng)度相差越大,凸出程度越差,一形柱就是個(gè)扁橢圓。所以,這也是規(guī)程規(guī)定異形柱截面任一肢肢長(zhǎng)不得小于500mm的一個(gè)原因。