芻議形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃紅晶

【摘要】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。

【關(guān)鍵詞】異型柱；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計方法

1、異形柱的結(jié)構(gòu)特點

1.1由于異形柱采用T形、L形、十字形等截面形式，所以使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。異形柱由于多肢的存在，其剪切中心與截面形心往往是不重合的，且在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(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，即產(chǎn)生腹剪裂縫，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。

1.2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。由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析表明，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)計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。

2、異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的常見問題

2.1結(jié)構(gòu)計算方面

（1）進(jìn)行柱的配筋計算時，單偏壓、雙偏壓計算均適用于一般框架結(jié)構(gòu)，但單偏壓計算不適用于異形柱結(jié)構(gòu)，因此，只能選用雙偏壓計算。

（2）兩個主軸方向除了計算水平地震作用，還要驗算抗震驗算，此外，7度與8度還要驗算與主軸成45°方向。

（3）柱框架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時，根據(jù)《抗震》相關(guān)規(guī)定：建筑樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與層間位移，對比該層兩端彈性水平位移與層間位移之間的平均比值要小于1.5，但對于異形柱結(jié)構(gòu)此比值應(yīng)小于1.45。

（4）按照規(guī)定，建筑樓層承載力出現(xiàn)變換時，薄弱層地震剪力按照1.15倍系數(shù)增加，但異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按照1.2倍系數(shù)增加，設(shè)計者應(yīng)該注意此系數(shù)并進(jìn)行調(diào)整。

2.2截面方面

一般矩形結(jié)構(gòu)，當(dāng)其截面高寬之比值小于4且厚度小于300時，結(jié)構(gòu)柱的受力性能就會下降，異形柱不適用，用于異形柱必須加強其結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3配筋方面

一般來說，框架梁配筋的布置遵循梁寬同柱寬的方式，但是在梁與柱的節(jié)點位置，需要把梁的鋼筋彎入柱的縱筋內(nèi)側(cè)，由于異形柱柱肢厚度不足，容易導(dǎo)致節(jié)點位置的鋼筋間距過密，因此，框架梁配筋應(yīng)結(jié)合異形柱的結(jié)構(gòu)特點。

舉例說明：當(dāng)框架梁寬度為200mm且柱縱筋直徑為1.6cm時，對于普通框架梁，其上部配置3根縱筋即可，假設(shè)梁縱筋直徑為a，當(dāng)在異形柱結(jié)構(gòu)的梁上部配置3根縱筋時，便出現(xiàn)如下結(jié)果：2×30-2×16-3a-3×1.5a=200，那么a=14.4mm，結(jié)果表明：在異形柱200mm寬的梁上部按普通框架梁一樣配置3根縱筋時，其直徑必須小于14mm，此值未考慮施工誤差；假如只配置3根14mm寬的鋼筋，在實際工程中，現(xiàn)梁柱節(jié)點位置也可能出現(xiàn)鋼筋過密的問題，所以，異形柱結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點處的鋼筋數(shù)應(yīng)≤2根。

2.4梁柱節(jié)點剪承載力方面

對于異形柱框架結(jié)構(gòu)，由于其柱肢厚度較小，異形柱結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力會小于普通框架結(jié)構(gòu)的受剪承載力，造成異形柱梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力出現(xiàn)超限情況，所以，進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)通過提高混凝土強度等級等方法解決此問題。

3、異型柱框架的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1結(jié)構(gòu)的布置

異形框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行布置的過程中，其異形柱的所設(shè)置的隔墻交叉點，必須要充分的滿足要求。不僅僅要對結(jié)構(gòu)的合理布置進(jìn)行考慮，還必須要最大限度的確保柱子所分布的均勻性，并且保證良好的改造余地。同時，對于跨度也應(yīng)當(dāng)要合理的進(jìn)行調(diào)整，不要在客廳以及主臥室之中進(jìn)行梁設(shè)置。如果在某些特殊情況下，客廳和陽臺臥室需要進(jìn)行梁設(shè)置，那么可以采取在板內(nèi)進(jìn)行暗梁的方式。同時在有陽臺的臥室、客廳之中，可以直接向陽臺的兩側(cè)進(jìn)行異形柱的翼柱外伸設(shè)置。如果說建筑結(jié)構(gòu)的單元強和建筑的劉體檢不是出在一個共同的軸線位置之上，那么在對于拒不應(yīng)力進(jìn)行解決的過程中，就需要對T、L、Z型柱進(jìn)行的設(shè)置。在一個結(jié)構(gòu)單元之中，要的進(jìn)行矩形柱設(shè)置，只要能夠設(shè)置都要進(jìn)行設(shè)置。如果說在建筑之上有部分柱子需要進(jìn)行錯位，那么為了避免過多柱體的錯位變換而出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的可能性，就需要保證變截面位置能夠形成極大的應(yīng)力集中性，不采取下手上擴的形式來進(jìn)行，僅僅知識在上層進(jìn)行收應(yīng)力處理。為了加強剛度可以把電梯和四周連接成筒，對平面剛度的對稱也要注意。剛度分布如果不均勻，在結(jié)構(gòu)計算的時候要考慮因扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)造成的影響。

3.2設(shè)計方法

現(xiàn)在異型柱結(jié)構(gòu)設(shè)計方面國家還沒有統(tǒng)一的規(guī)范，只有天津和廣東兩個省對其有一定的施工標(biāo)準(zhǔn)可以供設(shè)計人員進(jìn)行參考。在設(shè)計過程中不能簡單的把異型柱當(dāng)作矩形柱的計算方法來計算，因為矩形柱和異型柱的截面形式差異性很大?，F(xiàn)階段國內(nèi)異型柱截面計算和設(shè)計軟件有天津大學(xué)的鋼筋鹼異型柱結(jié)構(gòu)配筋計算程序CRSC、，廣東省建院的SS、SSW程序和建研院的TAT、SATWE程序。在設(shè)計的時候考慮到上述僅僅是地方的標(biāo)準(zhǔn)，則還需考慮一下部分：對柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比小于4的異形柱，應(yīng)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；位于l形柱角處的縱向受力鋼筋為雙向共用；因荷載方向角的任意性，在異形柱內(nèi)折角處也應(yīng)設(shè)置相同直徑的受力筋；按肢長與肢寬之比定義異形柱或短肢墻很大程度是為了學(xué)術(shù)上的便利。但用TAT程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算時，按異形柱模式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，應(yīng)適當(dāng)增加抗地震力；施工過程中對異形柱及其節(jié)點區(qū)應(yīng)加以重視，采用骨料粒徑較小的混凝土進(jìn)行澆筑，以確保施工質(zhì)量

3.3框架的計算

異型框架比較特殊，在截面對稱軸收到作用力時，其撓曲應(yīng)力在彈性分析時比較小，這時候就相當(dāng)于承受水平力的偏壓構(gòu)件，還可以按混凝土設(shè)計規(guī)范和平面假定分析計算。如果框架柱水平作用力較小的時候，仍可以按偏壓柱分析計算，此時誤差很小。異型柱可以通過面積和剛度相等的原則換算成矩形柱進(jìn)行整體的分析和計算。水平力作用不是在主軸方向，水平作用力如果很大，那么撓曲應(yīng)力就不能忽略，就需要對其進(jìn)行有限元分析，來計算出配筋、內(nèi)力的位置和大小。對內(nèi)力和配筋計算時，選擇的軟件要能計算異型柱。

4、結(jié)語

異形柱框架結(jié)構(gòu)雖然在結(jié)構(gòu)上存在一定的缺陷，但有其存在的市場價值，在工程實踐中也的確經(jīng)常被使用。所以我們應(yīng)該在掌握其受力特性和結(jié)構(gòu)特點、了解其結(jié)構(gòu)破壞機理的基礎(chǔ)上選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確地運用電算結(jié)果，滿足規(guī)范要求的各種構(gòu)造措施，才能夠保證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)有可靠的安全度。

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