異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)

楊超 張?jiān)?/p>

1 異形柱及異形柱結(jié)構(gòu)的定義

JGJ 149-2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對(duì)異形柱的定義為: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(柱肢截面高度與厚度的比值)不大于4的柱，肢厚不小于180 mm。

2 異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)及實(shí)際中的區(qū)別

2.1 異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的區(qū)別

近幾年來(lái)，人們對(duì)房屋平面與空間布置的要求越來(lái)越高，從而對(duì)建筑設(shè)計(jì)布局有了新的要求。而且普通框架結(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。

2.2 異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)的差異

1)對(duì)于相同烈度和結(jié)構(gòu)類(lèi)型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度有較大幅度的降低;2)對(duì)于相同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值、彈塑性層間位移角限值更加嚴(yán)格一些;3)鋼筋混凝土房屋應(yīng)根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和房屋高度采用不同的抗震等級(jí)。對(duì)于相同烈度和結(jié)構(gòu)類(lèi)型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的確定方法更加嚴(yán)格一些，其在房屋高度的取值上降低了數(shù)值;4)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的比值不應(yīng)大于1.45;而矩形柱框架結(jié)構(gòu)的該比值為1.50;5)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于相同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的兩種體系而言，異形柱的軸壓比限值均有不同幅度的降低，意味著其要求更加嚴(yán)格。

3 異形柱框架結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

異形柱結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:1)由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異;2)對(duì)于長(zhǎng)柱(H/h＞4)可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)于短柱(H/h＜4)，剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲型破壞，也因截面曲率 M/EI或εcu/χ(εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變;χ為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差;3)異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯;4)異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)資料和理論分析[2]，異形柱的破壞形態(tài)為:彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有:荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長(zhǎng)比(剪跨比)、配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。

4 異形柱框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于矩形柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)無(wú)斜向抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地震作用方向一般取工程縱橫軸方向，即0°和90°，以此來(lái)求得地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，正截面承載力兩個(gè)方向分別按單偏壓計(jì)算配筋，其承載力基本上可以包括地震作用沿其他方向的情況。但對(duì)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是 0°或90°，即僅沿該兩個(gè)方向計(jì)算的正截面配筋并不能完全包括地震作用沿其他方向時(shí)的情況，尤其在高烈度地區(qū)體現(xiàn)得更顯著?！兑?guī)程》強(qiáng)制規(guī)定，7度及7度以上時(shí)地震作用尚應(yīng)對(duì)與主軸成45°方向進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

異形柱軸壓比控制和梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算是異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩大特色。由于異形柱與矩形柱在截面特性、內(nèi)力、變形及抗震性能上均有較大差異，《規(guī)程》專(zhuān)門(mén)針對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定了相應(yīng)的條文規(guī)定，且比其他規(guī)程要求嚴(yán)格。例如6度區(qū)應(yīng)進(jìn)行地震作用計(jì)算及結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算，應(yīng)進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算等。由于異形柱柱截面的特殊性，其抗震性能較弱，為滿足國(guó)家抗震設(shè)防要求，保證結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗震延性，根據(jù)異形柱截面雙向偏壓柱的工作機(jī)理，分析影響各種截面形狀柱的截面曲率延性的主要因素，通過(guò)分析框架位移延性與梁、柱構(gòu)件截面曲率延性之間的相互關(guān)系及大量的電算分析，得到了在不同抗震等級(jí)下異形柱軸壓比與匹配特征值的關(guān)系，據(jù)此給出了小于普通柱軸壓比的異形柱軸壓比限值。此軸壓比限值是結(jié)構(gòu)體系抗震性能的重要保證，設(shè)計(jì)中尤其注意應(yīng)使構(gòu)件滿足此限值，特別是對(duì)一些平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)更應(yīng)嚴(yán)格控制。

梁柱節(jié)點(diǎn)是異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由于節(jié)點(diǎn)的作用是將本層和上層荷載通過(guò)核心區(qū)傳至下層柱中，其作用力為與節(jié)點(diǎn)相連的梁端和柱端彎矩、軸力、剪力、扭矩，受力非常復(fù)雜。矩形截面柱節(jié)點(diǎn)由于正交方向梁對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的約束作用，具有一定的受剪承載力，對(duì)非抗震和三、四級(jí)抗震等級(jí)節(jié)點(diǎn)，不用對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算，僅需滿足抗震構(gòu)造措施要求，只對(duì)一、二級(jí)抗震等級(jí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行受剪承截力計(jì)算，而異形柱框架節(jié)點(diǎn)卻不同。由于異形柱截面的特點(diǎn)，正交方向梁截面的寬度與柱接觸面積較小且偏置，對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土難以達(dá)到約束。因此必須對(duì)異形柱框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算，無(wú)論是非地震區(qū)或地震區(qū)均應(yīng)計(jì)算。首先限制節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面，避免截面太小混凝土承受過(guò)大的斜壓力，導(dǎo)致核心區(qū)混凝土首先被破壞，其次是控制節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍面積，保證節(jié)點(diǎn)受剪承載力，改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

山東某市住宅樓長(zhǎng)28.3 m，寬12.9 m，建筑面積1 015 m2左右，住宅4層，層高 3.0 m，最大建筑高度為15.4 m。該工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類(lèi)別為三類(lèi)。采用異形柱框架結(jié)構(gòu)，異形柱框架抗震等級(jí)為三級(jí)。采用SATWE程序分析，各層間位移角見(jiàn)圖1，滿足規(guī)范對(duì)層間位移的規(guī)定;同時(shí)重視抗震概念設(shè)計(jì)，加強(qiáng)構(gòu)造措施。目前已竣工驗(yàn)收交付使用，經(jīng)觀察結(jié)構(gòu)整體狀況良好。

總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力特點(diǎn)，充分了解其破壞機(jī)理，選用合理的柱網(wǎng)布置形式，正確掌握計(jì)算分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結(jié)構(gòu)具有可靠的安全保障。

[1] 楊有根.異形柱框架結(jié)構(gòu)理論研究與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2002:46.

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[4] JGJ 149-2006，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 徐金榮，張洪靜，王普山，等.異形柱框架薄弱部位抗震設(shè)計(jì)方法探討[J].世界地震工程，2002(2):32-33.