異形柱框架結(jié)構(gòu)設計淺析

賀世強

榆林市恒泰建筑設計有限公司

異形柱框架結(jié)構(gòu)設計淺析

賀世強

榆林市恒泰建筑設計有限公司

隨著人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔已越來越不能被房屋使用者所接受， 因為它直接影響到室內(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問題，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，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)；設計方法

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）對異形柱的定義是：截面幾何形狀為L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?！兑?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，因此對此三種截面形式在實際工程中應用較多，積累的實驗研究、理論研究及工程實際經(jīng)驗較多。而對其他形狀截面的柱，由于目前缺乏充分的研究成果而未列入，為適應異形柱結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要，有待今后進一步研究充實。

2　異型柱框架結(jié)構(gòu)設計中的有關(guān)問題

2.1結(jié)構(gòu)平面布置

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

（1）異形柱結(jié)構(gòu)宜采用規(guī)則的設計方案，異形柱結(jié)構(gòu)的一個獨立單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)的平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱、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，盡量避免錯層；

（3）結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化，避免抗測力結(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度不宜在同一層變化。

2.2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，異形柱結(jié)構(gòu)的分析模型應符合結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，內(nèi)力和唯一分析應采用空間分析模型，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。在設計中應注意以下幾個問題

（1）用TAT程序進行結(jié)構(gòu)整體計算時，按異形柱模式可能導致結(jié)構(gòu)剛度下降，應適當增加抗地震力；

（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，而對于異形柱框架結(jié)構(gòu)，由于側(cè)向剛度較小，有時側(cè)移會超過規(guī)范允許值；

（3）剪跨比不大與2的柱及因設置填充墻等形成的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）異形柱結(jié)構(gòu)的地震作用計算，一般情況下，應允許在結(jié)構(gòu)兩個主軸方向分別計算水平地震作用并進行抗震驗算，各方向的水平地震作用應由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔，7度（0.15g）及8度，（0.20g）時尚應對與主軸成方向進行補充驗算；

（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，對抗震等級三級及三級以上的結(jié)構(gòu)，應對節(jié)點進行計算，以保證節(jié)點區(qū)的可靠性；

2.3構(gòu)造設計

（1）柱壁厚度和砼標號的選擇 異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm；混凝土強度等級C25～C50；異形柱的剪跨比宜大于2，抗震設計時不應小于1.5。

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

3　異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造的設計心得

（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計時不應小于400mm。梁截面高度太小會使柱縱向鋼筋在節(jié)點核心區(qū)內(nèi)錨固長度不足，容易引起錨固失效，損壞節(jié)點的受力性能，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)點高度不能太小。異形柱結(jié)構(gòu)框架節(jié)點鋼筋粘結(jié)條件可能不如普通框架節(jié)點鋼筋粘結(jié)條件，故務必遵守此條規(guī)定。

（2）《異規(guī)》第6.1.4條規(guī)定，異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。根據(jù)近年異性柱結(jié)構(gòu)的工程實踐，肢厚小于200mm時，會造成梁柱節(jié)點核心區(qū)的鋼筋設置困難及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固強度不足，故限制肢厚不應小于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，抗震設計時，對二、三級抗震等級，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，當混凝土的強度等級為C40及以上時可取1/25，且縱向鋼筋直徑不應大干25mm。矩形柱框架的框架梁縱向鋼筋伸入節(jié)點后，其相對保護層一般能滿足，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)錨固強度公式分析對比可知，后者的粘結(jié)能力約為前者的0.7。為此，規(guī)定抗震設計時，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)錨固強度隨混凝土強度的提高而提高，當采用混凝土強度等級在C40以上時，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大于2.5%要嚴格。這是因為，在地震作用組合內(nèi)力作用下，梁支座處縱向鋼筋有可能在節(jié)點一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，對于異形柱框架梁柱節(jié)點更易引起縱向鋼筋在節(jié)點核心區(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］.