探析異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的若干問(wèn)題

譚廷疆　康佳

摘 要：分析了異形柱結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的背景，介紹了異形柱結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題，可供工程設(shè)計(jì)人員借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：異形柱；異形柱結(jié)構(gòu)；傾覆力矩；單跨框架；剛域

引 言

異形柱結(jié)構(gòu)是一種由豎向支承構(gòu)件而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，通常采用截面為L(zhǎng)形、T形以及十字形的異形柱代替一般框架柱。在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，可以依據(jù)建筑設(shè)計(jì)對(duì)建筑布置以及建筑功能的要求，在不同的結(jié)構(gòu)部位，選用截面形狀不同的異形柱，從而避免框架柱在室內(nèi)空間凸出、占用建筑空間，繼而改善建筑觀瞻，為居住建筑的設(shè)計(jì)及使用功能帶來(lái)靈活性和方便性。

近年來(lái)，隨著我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)住宅建筑使用要求的不斷提高。如何合理地利用建筑物的有效面積，這對(duì)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一項(xiàng)新的要求.異形柱框架結(jié)構(gòu)體系在一定程度上滿足了上述要求，工程實(shí)踐表明效果良好。

1 異形柱結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的背景

一般混凝土矩形柱結(jié)構(gòu)體系與異形柱結(jié)構(gòu)體系之間既相互矛盾又存在共性。因?yàn)楫愋沃途匦沃鶅烧咴诳拐鹦阅?、變形特性和?nèi)力、截面特性等方面存在著顯著的差異，所以在異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中存在著一系列尚未解決的問(wèn)題，目前，我國(guó)法律法規(guī)、施工規(guī)程中尚反映這些問(wèn)題。

由于異形柱結(jié)構(gòu)自身?yè)碛泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，在世界各地廣泛的推廣與應(yīng)用，這就迫切需要建立健全一個(gè)完善的異形柱結(jié)構(gòu)行業(yè)規(guī)范與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)并監(jiān)督異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收以及工程審查等。

近年來(lái)，對(duì)于異形柱結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用、構(gòu)造措施、設(shè)計(jì)方法及基本性能等方面，國(guó)內(nèi)的各設(shè)計(jì)、研究單位以及高等院校已經(jīng)投入了大量的人力物力，進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐與科學(xué)研究，包括：異形柱的斜截面、正截面、梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)以及理論研究、異形柱結(jié)構(gòu)模型的地震作用模擬試驗(yàn)研究、異形柱結(jié)構(gòu)的抗震性能研究、異形柱結(jié)構(gòu)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件研究以及異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究等。

同時(shí)，有些省市制訂并實(shí)行了異形柱結(jié)構(gòu)地方性標(biāo)準(zhǔn)，一些國(guó)家級(jí)的住宅示范小區(qū)中也有建造異形柱結(jié)構(gòu)的住宅建筑，我國(guó)異形柱結(jié)構(gòu)的研究不斷深入，異形柱的設(shè)計(jì)與施工方法不斷完善。

為了國(guó)家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策能夠貫穿應(yīng)用于在凝土異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中當(dāng)中，保障異形柱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、技術(shù)、安全以及經(jīng)濟(jì)合理性，特制訂《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》作為中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在此背景下，建設(shè)部于2006年3月9日正式批準(zhǔn)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGI149-2006J514-2006），并于2006年8月1日起正式實(shí)施。

2 異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的相關(guān)問(wèn)題以及注意事項(xiàng)

2.1 房屋最大高度

《規(guī)程》3.1.2.條：“異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度應(yīng)符合表1的要求。

由《規(guī)程》條文可知，高層甚至小高層建筑一律不準(zhǔn)許采用所有異形柱框架結(jié)構(gòu)，包括附有少量剪力墻的異形柱結(jié)構(gòu)，而必須采用異形柱框架與剪力墻相結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)。特別重要的是在布置框架結(jié)構(gòu)平面中，必須“加足”剪力墻?！凹幼恪奔袅Φ囊馑际遣粌H需要滿足高層以及小高層結(jié)構(gòu)位移和周期的要求之外，還需要滿足剪力墻部分承受的結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩小于第一振型底部地震傾覆力矩的50%。

2.2 補(bǔ)充驗(yàn)算45°方向地震作用

《規(guī)程》中明確規(guī)定計(jì)算異形柱結(jié)構(gòu)的地震作用，應(yīng)該符合相關(guān)規(guī)定：通常情況下，應(yīng)該允許在異形柱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向，對(duì)水平地震的作用以及抗震驗(yàn)算進(jìn)行分別計(jì)算，應(yīng)該由該方向的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)各方向水平地震的作用，當(dāng)8度（0.20g）及7度（0.15g）時(shí)，應(yīng)該對(duì)與主軸成45度方向的地震作用進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算?！碑愋沃Y(jié)構(gòu)與矩形柱結(jié)構(gòu)截面具有不同的特征（即受力特性），理論分析以及試驗(yàn)研究表明：異形柱的雙向偏壓正截面不同方向的承載力（作用）存在著很大的差異。在L形、T形以及十字形三種截面的異形柱結(jié)構(gòu)中，差異最明顯就是L形柱。當(dāng)在異形柱框架結(jié)構(gòu)中混合使用不等肢異形柱與等肢異形柱時(shí)，則差異的情況更為繁雜錯(cuò)亂，因此在異形柱結(jié)構(gòu)計(jì)算地震作用中是異常重要的問(wèn)題。

在異形柱結(jié)構(gòu)計(jì)算抗震中，因?yàn)榈卣鹱饔梅较虻膭澐纸嵌仍骄唧w，各異形柱不同方向的內(nèi)力變化的差異就越縮小，為了避免復(fù)雜而繁重的計(jì)算工作，提高工程設(shè)計(jì)的效率，應(yīng)該盡可能選取小的角度方向，對(duì)于布置比較規(guī)則并采用等肢異形柱的異形柱結(jié)構(gòu)，除0°、正交方向以及90°之外，再附加驗(yàn)算45°方向的地震作用，通常就可以滿足異形柱結(jié)構(gòu)角度的要求。

2.3 單跨框架結(jié)構(gòu)

《規(guī)程》還提及到在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，不應(yīng)該選用錯(cuò)層、連體和多塔等結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的異形柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)單跨框架結(jié)構(gòu)也不應(yīng)該在考慮采用的范圍之內(nèi)。當(dāng)然，異形柱結(jié)構(gòu)不考慮單跨框架結(jié)構(gòu)并意味著異形柱結(jié)構(gòu)中不可以有少量的單跨框架出現(xiàn)。

隨著人們對(duì)房屋建筑的使用要求不斷的提高以及建筑產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)意義上的房屋建筑平面。這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位以及工程師提出了新層次的要求，在布置結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)時(shí)，一定數(shù)量的單跨框架有出現(xiàn)的可能。特別要注意的是，單跨框架結(jié)構(gòu)與平面柱網(wǎng)中出現(xiàn)單跨框架是完全不相同的兩個(gè)概念。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言，至少一個(gè)結(jié)構(gòu)主軸方向的單跨框架的數(shù)量超過(guò)該方向結(jié)構(gòu)框架總數(shù)的30%時(shí)，此結(jié)構(gòu)才能算得上是單跨框架結(jié)構(gòu)。

2.4 框架梁梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率

《規(guī)程》6.3.5條：“4，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)二、三級(jí)抗震等級(jí)的框架梁，梁端縱向的受拉鋼筋百分率應(yīng)該小于等于表2的規(guī)定值?！?/p>

普通的矩形柱框架梁，由于梁端的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量是決定梁的變形能力的主要原因之一，而梁的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量和截面混凝土的相對(duì)受壓區(qū)高度息息相關(guān)。當(dāng)相對(duì)受壓區(qū)的高度為0.25～0.35的范圍時(shí)，梁的位移延性系數(shù)可到達(dá)3～4。因此在梁端受拉鋼筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)該充分考慮梁端受壓鋼筋的作用，；在計(jì)算梁端受壓區(qū)高度時(shí)，應(yīng)該按照梁端截面實(shí)際的受拉與受壓鋼筋的面積進(jìn)行計(jì)算。

在地震作用組合內(nèi)力作用下，異形柱框架的梁支座處的縱向鋼筋可能在節(jié)點(diǎn)一側(cè)受壓拉，另一側(cè)受拉壓，對(duì)于異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)比較容易引起的縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)錨固破壞。為了保證梁的支座截面的延性，根據(jù)單筋梁滿足x≤0.35h0的要求，進(jìn)行二、三級(jí)抗震等級(jí)的框架梁梁端的縱向受拉鋼筋最大配筋率系計(jì)算。

由計(jì)算梁異形柱框架梁和于矩形柱框架的梁端受拉鋼筋條件有差異，致使二者的梁端受拉鋼筋的配筋率不一樣。所以進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，大部分的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件是按照矩形柱梁端受拉鋼筋的配筋率控制配筋，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)上表要的求對(duì)軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行人工復(fù)核，以免出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。

2.5 允許異形柱結(jié)構(gòu)施工的尺寸存在偏差

由于異形柱的結(jié)構(gòu)截面尺寸比較小，為了保證鋼筋保護(hù)層的厚度以及結(jié)構(gòu)的安全，只允許異形柱結(jié)構(gòu)的截面尺寸出現(xiàn)正偏差。這與現(xiàn)行的《規(guī)范》（GB50204-2002）中允許異性柱截面內(nèi)部的尺寸出現(xiàn)負(fù)偏差的要求是不一樣的。

2.6 框架頂層柱縱向鋼筋的錨固與搭接

因?yàn)楫愋沃闹c梁寬度大致相當(dāng)，因此柱筋與梁筋交接處存在著比較密集的問(wèn)題。依據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范并結(jié)合異形柱本身的特點(diǎn)，將頂層的端節(jié)點(diǎn)柱外縱向鋼筋沿節(jié)點(diǎn)外邊與梁上邊以及梁上部的縱向鋼筋搭接長(zhǎng)度增加到1.6laE（1.6la），但是伸入梁內(nèi)的柱外側(cè)縱向鋼筋截面面積調(diào)整為大于等于柱外側(cè)全部縱向鋼筋面面積的50%。在目前沒(méi)有異形柱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圖集的情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說(shuō)明中予以注明，以免發(fā)生施工錯(cuò)誤。

2.7 梁柱重疊部分簡(jiǎn)化原則

在采用結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)軟件（例如SATWE，TAT）對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算時(shí)，對(duì)梁柱重疊部分宜簡(jiǎn)化為剛域。這樣可以使梁負(fù)筋按柱邊彎矩計(jì)算配筋，即適當(dāng)削峰配置，有目的性的弱化梁，從而實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震原則。

3 應(yīng)用情況

目前從我國(guó)建設(shè)情況來(lái)看，正在逐步推廣混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系.在工程設(shè)計(jì)程中，盡量采用異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。對(duì)樓面開(kāi)大洞口、轉(zhuǎn)角窗及樓梯間等抗震薄弱位置著重處理，采用剪力墻加強(qiáng)。在此過(guò)程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)?；炷廉愋沃Y(jié)構(gòu)體系從以前主要用于低層別墅建筑、多層住宅建筑逐漸擴(kuò)展到用于小高層的住宅建筑、平面及豎向較為規(guī)則的宿舍建筑，工程實(shí)踐表明效果良好，住戶認(rèn)知度及滿意度較高，為節(jié)能減排及新墻材推廣作出了突出的貢獻(xiàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

設(shè)計(jì)人員在工程計(jì)算中配套使用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部的空間計(jì)算分析軟件SATWE及TAT和天津大學(xué)編制的異形柱斜截面、正截面受剪承載力以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算的軟件CRSC，使異形柱正截面的承載力等復(fù)雜的數(shù)值分析更為可靠便捷。已在諸多異形柱結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意控制好柱軸壓比、短柱、梁縱筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)錨固等相互影響的幾個(gè)因素，不能為了滿足某一因素而忽略其它因素，還應(yīng)注意由于梁、柱寬度較小，鋼筋布置應(yīng)滿足構(gòu)造要求及施工要求。

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作者簡(jiǎn)介：譚廷疆（1979-），男，土木工程本科，中級(jí)，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，現(xiàn)從事混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

康佳（1989-），男，土木工程本科，初級(jí)，現(xiàn)從事混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。