高層建筑異形柱受力分析與設(shè)計(jì)探討

郎 葳，魏國(guó)成

吉林省吉林輕工業(yè)設(shè)計(jì)院有限公司，吉林吉林 132013

異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對(duì)于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

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)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)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu為砼的極限壓應(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)處核心砼協(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，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(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）特別是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。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過(guò)可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來(lái)保證其強(qiáng)度和延性。

目前，異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家規(guī)范，僅有兩部地方性法規(guī)，即廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T15-15-95和天津市標(biāo)準(zhǔn)DB29-16-98可供參考。

在進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足高規(guī)中對(duì)結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）異形框架的計(jì)算

由于其截面的特殊性，在柱截面對(duì)稱軸內(nèi)受水平力作用時(shí)，彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按砼設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，特別是在框——剪，框——筒結(jié)構(gòu)中，對(duì)6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地，框架柱只承擔(dān)水平風(fēng)載的一小部分，如按一般偏壓柱計(jì)算，誤差較小。此時(shí)異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進(jìn)行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，宜選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件。現(xiàn)在有一些軟件沒(méi)有異形柱截面形式，如要用它進(jìn)行計(jì)算，要先進(jìn)行等剛度等面積換算成矩形柱，進(jìn)行整體分析，得到雙向內(nèi)力后再進(jìn)行異形柱的截面設(shè)計(jì)，其工作量相當(dāng)大，且截面設(shè)計(jì)的可靠性不高。目前，國(guó)內(nèi)可直接進(jìn)行異形柱截面內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)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(xué)的鋼筋砼異形柱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算程序CRSC。這些程序均用數(shù)值積分法進(jìn)行正截面配筋設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過(guò)大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

2）軸壓比控制

對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析[3]，柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。

在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對(duì)提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對(duì)柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對(duì)異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。

在廣東規(guī)程中，其軸壓比按砼設(shè)計(jì)規(guī)范中的要求減少0.05，但其適用高度較低，一般為35m。當(dāng)高層建筑的高度進(jìn)一步加大時(shí)，其水平力的影響會(huì)愈來(lái)愈顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求也愈高。由天津大學(xué)土木系對(duì)異形柱延性資料可知，影響異形柱延性的因素比普通柱要復(fù)雜，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平側(cè)移下，其延性性能也有較大差異，因而，軸壓比控制應(yīng)參考天津規(guī)程。但天津規(guī)程的控制過(guò)于繁鎖，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，柱的縱筋與箍面的直徑還沒(méi)有設(shè)定，因而箍筋間距與縱筋直徑的比值還無(wú)法確定。為在實(shí)際工作中便于使用，可按不同的截面形式（L、T、十字型）與不同的抗震等級(jí)兩項(xiàng)指標(biāo)從嚴(yán)控制，對(duì)低烈度地區(qū)的這類結(jié)構(gòu)是能夠滿足其延性要求的。

3）配筋構(gòu)造

在正確的結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點(diǎn)，柱肢端部會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對(duì)柱肢形成偏心壓力，進(jìn)一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時(shí)，應(yīng)在肢端設(shè)暗柱，暗柱的外排鋼筋由計(jì)算而定。離端部厚度范圍內(nèi)設(shè)2Ф14的構(gòu)造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開(kāi)展，提高異形柱局部抗壓抗剪強(qiáng)度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復(fù)合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標(biāo)好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

總之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力的特點(diǎn)，充分了解其破壞的各種機(jī)理，選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面配筋，其結(jié)構(gòu)才能有可靠的安全保證。