異形柱框架在多層住宅設(shè)計中的應用

摘要:文章分析了混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點,介紹了異形柱設(shè)計中的計算方法、結(jié)構(gòu)分析方法等在設(shè)計中需要注意的若干問題,對于其設(shè)計和應用提出了參考。

關(guān)鍵詞:異形柱框架;異形柱設(shè)計;多層住宅;住宅設(shè)計

中圖分類號:TU375文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)10-0042-02

近年來,隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對住宅建筑的要求越來越高。既要求戶內(nèi)平面布置靈活適應性強又可兼顧采光外立面美觀。以往北方地區(qū)多層住宅建筑結(jié)構(gòu)大多采用磚混這一傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),受分隔規(guī)則、開間較小、可變性差等先天因素制約,磚混房屋無法滿足人們對建筑使用功能的不同要求。并且隨著國家禁用黏土磚政策的實施,磚混住宅建筑正加快退出歷史舞臺。采用開間布置靈活、改造性強、抗震性能好的框架結(jié)構(gòu)可較好地解決上述問題。但采用普通的矩形柱框架又會帶來另一問題:凸出墻面的矩形框架柱角給住宅室內(nèi)裝飾和家具布置帶來極大的不便,影響平面有效面積的合理利用。為此人們開始研究改進框架結(jié)構(gòu)以利于其在住宅建筑中更好的應用。結(jié)合縱橫墻交接處布置采用“L”形,“十”形,“T”形等異形柱,肢厚與墻同寬,完全消除室內(nèi)框架柱凸角,提高有效使用面積,從而更好地滿足人們的使用要求。

一、混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點

異形柱:截面幾何形狀為L形、T形、和十字形,截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱?；炷廉愋沃蚣芙Y(jié)構(gòu)是以異形柱代替一般框架柱,和梁剛性連接組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。

1.異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性,實驗研究及理論分析表明:異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載(作用)方向不同而有較大差異。在L形、T形和十字形三種異形柱中,以L形柱的差異最為顯著。當異形柱結(jié)構(gòu)中混合使用等肢異形柱與不等肢異形柱時,則差異情況更為錯綜復雜,成為異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計算中不容忽視的問題。所以對異形柱結(jié)構(gòu)應采用三維空間分析的方法,目前能用于這種結(jié)構(gòu)抗震分析的常用軟件有TAT,SATWE等。

2.實驗表明,異形柱在單調(diào)荷載特別在低周反復荷載作用下粘結(jié)破壞較矩形柱嚴重。對柱的剪跨比不應小于1.5的要求,是為了避免出現(xiàn)極短柱,減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險性,為了設(shè)計方便,當反彎點位于層高范圍內(nèi)時,柱的凈高與柱肢截面高度之比不宜小于4,抗震設(shè)計時不應小于3。

3.異形柱多為兩肢、三肢、甚至四肢,剪切中心往往在平面尺寸之外,受力時要靠各肢交點處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力分布。由彈性分析知道這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢存在相當?shù)穆N曲正應力和剪應力,而該剪應力的存在,首先使柱肢混凝土先于普通壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫,其次對各肢相交之核心混凝土,使其單元應力呈三維剪壓狀態(tài),由此使異形柱較普通框架柱變形能力低,脆性破壞明顯。

4.根據(jù)試驗研究和理論分析知道,影響框架柱和剪力墻肢破壞形態(tài)的主要因素有:軸壓比U、剪跨比、配筋率及構(gòu)造處理。異形柱作為壓剪構(gòu)件,由于其肢長與肢寬之比以及肢寬等介于普通框架柱和剪力墻肢之間,說明異形柱是介于兩者之間的一種“過渡性”構(gòu)件。試驗和分析表明異形柱作為壓剪構(gòu)件,其破壞形態(tài)有:彎曲破壞,小偏壓破壞,粘接破壞,高壓剪破壞以及剪壓破壞,剪拉破壞和斜壓破壞。和其破壞形態(tài)相關(guān)的主要因素是:軸壓比、柱凈高與截面肢長之比(即剪跨比)、縱筋配筋率等。通過必要的構(gòu)造措施可以防止粘結(jié)、剪拉及斜壓等脆性破壞,提高柱肢的小偏壓及剪壓破壞的延性。

5.試驗研究表明,異形柱框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點的受剪承載力,是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié)。為確保安全,對抗震設(shè)計的二、三、四級抗震等級柱節(jié)點核心區(qū)以及非抗震設(shè)計的梁柱節(jié)點核心區(qū),均應進行受剪承載力計算。在設(shè)計中,尚可采取各類有效措施,包括梁端增設(shè)支托或水平加腋等構(gòu)造措施,以提高或改善粱柱節(jié)點核心區(qū)的受剪性能。對于縱橫向框架共同交匯的節(jié)點,可以按各自方向分別進行節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算。

二、異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般規(guī)定

(一)結(jié)構(gòu)布置

與一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比,異形柱框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置時應注意以下原則:(1)結(jié)構(gòu)平面宜盡量對稱,使平面和剛度均勻,2個主軸方向應協(xié)調(diào)布置,避免扭轉(zhuǎn)帶來的不利影響;如果有明顯的不對稱,應考慮扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)受力的不利影響。(2)異形框架宜雙向設(shè)置,框架柱應對齊,框架梁應拉通,避免縱橫框架梁相互支撐,使結(jié)構(gòu)形成空間受力并具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性,同時具有良好的整體性和較好的抗震性能。(3)豎向布置應力求體型規(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。

(二)適用高度、高寬比及長細比限制

異形柱框架在7度抗震設(shè)防烈度區(qū),要求房屋高度≤35m,層數(shù)<12,建筑物的高寬比不宜大于5;8度區(qū)房屋高度不大于25m,建筑物的高寬比不宜大于4。另外,柱凈高與截面長邊之比,即長細比宜大于4小于8。長細比小于4(即短柱),容易發(fā)生脆性剪切破壞;長細比大于8,易引起失穩(wěn)破壞。

(三)抗震等級

異形柱框架結(jié)構(gòu)應根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、房屋高度及抗震設(shè)防烈度采用不同的抗震等級,并應符合相應的計算和構(gòu)造措施要求。

三、異形柱框架結(jié)構(gòu)的計算要點

普通框架柱一般采用方形或矩形,為了使2個主軸方向的受力性能相差不大,一般要求h/n≤1.5,剪力墻肢一般要求h/bw>4,而異形柱作為一種新型的承受豎向力構(gòu)件,h0/bz-2～4介于框架柱與剪力墻之間,從而使其受力特點亦介于普通框架柱與剪力墻之間。異形柱內(nèi)力計算時,既不能完全按普通框架柱,亦不能照搬剪力墻肢進行。

目前,大多數(shù)設(shè)計人員采用由中國建筑科學研究院高層建筑技術(shù)開發(fā)部《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間分析程序TBSA》進行內(nèi)力計算。由于程序是以矩形截面柱為研究對象的,而對異形柱的結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)輸入無明確規(guī)定,輸入時把異形柱用具有相同抗彎剛度的矩形柱等替換,然而由于框架柱屬于壓剪構(gòu)件,除了要求有相當?shù)膭偠韧膺€應有較好的抗剪能力,為保證柱子具有一定的延性,設(shè)計時通過對剪跨比、軸壓比、主筋配筋率、配箍率進行限定,使異形柱有較好的抗震性能。

(一)剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受彎矩與剪力相對大小的一個參數(shù)-H/2h,是影響框架柱破壞形態(tài)的最重要的因素?？刂萍艨绫燃纯刂浦鶅舾吲c柱截面肢長之比。由于異形柱的抗剪性能差,選擇異形柱截面時,為避免出現(xiàn)短柱,控制入=HM/h>4,亦即入=HM/2h>2。

(二)軸壓此的限定

軸壓比是指柱組合的軸壓力設(shè)計值與柱全截面面積和混凝土抗壓強度設(shè)計值乘積之比。它是影響柱破壞形態(tài)和變形能力的另一個重要因素。有關(guān)研究結(jié)果表明:軸壓比對異形柱的影響遠遠超過對普通矩形柱的影響,為保證異形柱的延性,必須嚴格控制軸壓比,柱應具有足夠大的截面尺寸,以防止出現(xiàn)小偏壓破壞,并應滿足抗震要求,同時避免長細比小于4的短柱。由于異形柱的截面積比具有相同抗彎剛度的矩形柱小,因此用矩形柱替換后計算出的軸壓比數(shù)值不能直接應用于異形柱。而異形柱的軸壓比的限值在規(guī)范中又無詳細規(guī)定,考慮到異形框架柱的抗扭、抗震性能較差,一般認為,設(shè)計中應按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的軸壓比限值減少0.05選用。

(三)主筋配筋率及配箍率的調(diào)整

軸壓比控制值的調(diào)整,使計算得出的矩形柱配筋值一般均較小,用于異形柱截面配筋時比值應予以放大。考慮到異形柱自身的受力特點,把柱縱向鋼筋的最小總配筋率限值提高0.1。另外由于異形柱較普通柱易于開裂的特點,設(shè)計時以普通框架柱的構(gòu)造體積配箍率0.8～1.2為依據(jù),異形柱的配箍率取其上限,并且配箍形式選用矩形復合箍筋。

(四)抗震調(diào)整系數(shù)的選取

考慮地震作用組合的異形柱,其截面承載力應除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)?酌RE。對于正截面承載能力,取?酌RE=0.8;對于斜截面承載力取?酌RE=0.85。

四、異形柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施

1.采用高強度等級混凝土,可降低軸壓比,對異形柱的延性也有好處。

2.異形柱結(jié)構(gòu)的顯著特點是截面和配筋不對稱,導致異形柱在兩個方向強度和延性不對稱。為了盡量降低這種影響,腹板端部配筋應在合理范圍內(nèi)盡可能多,而采用Ⅲ級鋼筋能起到類似的作用。采用HRB400和RRB400鋼筋在同樣的外力作用下,鋼筋用量較少,方便施工,更好的保證混凝土澆筑質(zhì)量。

3.在實際工程中,異形柱的寬厚比一般均大于2.5;當異形柱截面肢厚小于200mm時,將會造成粘結(jié)強度不足及梁柱節(jié)點的鋼筋設(shè)置困難,基于施工和外墻保溫隔熱等要求,故限制異形柱肢厚也不應小于200mm。同時考慮到穩(wěn)定性等問題,柱肢厚度不宜小于樓層高度的1/20;對于二級抗震設(shè)計要求的底層異形柱,由于其計算長度較大,為了保證足夠的側(cè)向剛度和穩(wěn)定性,故柱肢的厚度不應小于樓層高度的1/16。

4.異形柱柱端箍筋加密區(qū)的箍筋應根據(jù)受剪承載力計算,同時滿足體積配箍率條件和構(gòu)造要求確定。對箍筋合理配置的研究中發(fā)現(xiàn),當體積配箍率p相同時,采用較小的箍筋直徑a和箍筋間距s的延性好只增大箍筋直徑來提高體積配筋率而不減小箍筋間距并不一定能提高異形柱的延性,只有在箍筋間距s對受壓縱筋支撐長度達到一定要求時,增大體積配箍率p ,才能達到提高延性的目的。

5.考慮異形柱的柱肢截面厚度較小,若中間柱兩側(cè)梁高度相等時,梁的下部鋼筋均在節(jié)點核心區(qū)內(nèi)滿足L 條件后切斷的做法會使節(jié)點區(qū)下部鋼筋過于密集,造成施工困難并影響節(jié)點核心區(qū)的受力性能,故采取梁的上部和下部縱向鋼筋均貫穿中間節(jié)點。

五、結(jié)語

混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,一定會有越來越廣泛的應用,只有在設(shè)計中充分了解異形柱的受力特點和其破壞機理,選用合理的結(jié)構(gòu)布置,正確使用計算機分析方法,其結(jié)構(gòu)才會安全可靠。

參考文獻

[1]王昕,王欣.混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的受力特點及在住宅設(shè)計中的應用[J].建筑施工,2008,30(4).

作者簡介:趙巖松(1965-),女,黑龍江依蘭人,吉林鐵道勘察設(shè)計院有限公司工程師,研究方向:建筑設(shè)計。