異形柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 航 戴素娟 彭 偉

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

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異形柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 航 戴素娟 彭 偉

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

通過(guò)對(duì)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，提出了異形柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容及異形柱正截面承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，為異形柱框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，解決了各地規(guī)范取值不統(tǒng)一的問(wèn)題。

異形柱，框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，正截面承載力

隨著人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)審美意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，傳統(tǒng)矩形柱框架結(jié)構(gòu)已難以滿足人們對(duì)室內(nèi)裝飾和家居布置的要求。異形柱框架結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)于普通框架結(jié)構(gòu)的建筑性能，增大并合理地利用了房間的有效使用面積，節(jié)省混凝土用量。然而，異形柱框架結(jié)構(gòu)還存在著許多缺陷，一些國(guó)家相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還不完善。因此，本文通過(guò)對(duì)比各地相關(guān)規(guī)范及有關(guān)資料，對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)及異形柱正截面承載力的計(jì)算作了相關(guān)優(yōu)化，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要的意義。

1 異形柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包括確定梁柱截面尺寸、確定異形柱的軸壓比和配筋值以及對(duì)異形柱正截面承載力的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化。異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在剛度等效原則和面積及慣性矩等量的原則下進(jìn)行，這樣才能得到更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形以及結(jié)構(gòu)的配筋。對(duì)于異形柱結(jié)構(gòu)的配筋，一般可以采用直接計(jì)算法、等代矩形計(jì)算法、先配筋再?gòu)?fù)核法，但不能按普通柱或剪力墻的配筋公式。

1.1 確定梁柱截面尺寸

抗震設(shè)計(jì)與非抗震設(shè)計(jì)下結(jié)構(gòu)的梁高分別不應(yīng)小于400 mm和350 mm。這是為了避免因梁高過(guò)小而使柱縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)錨固失效。而異形柱截面的肢厚宜取200 mm～300 mm，肢長(zhǎng)取600 mm～800 mm。異形柱截面各肢的肢高與肢厚的比值宜取2.5～4，若柱肢高厚比大于4，則肢高最小取500 mm。

1.2 確定異形柱軸壓比和配筋值

軸壓比是影響混凝土柱延性的重要指標(biāo)，而柱子的延性又對(duì)結(jié)構(gòu)抗震起著十分重要的作用。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要十分重視對(duì)異形框架柱的軸壓比的控制。表1為剪跨比大于2且箍筋約束較強(qiáng)時(shí)不同截面形狀的異形柱的軸壓比。

表1 不同截面形狀異形柱的軸壓比

在進(jìn)行異形柱配筋時(shí)，筆者認(rèn)為，應(yīng)遵循下列要求：1)同一截面內(nèi)盡可能使縱向受力鋼筋的直徑相同，鋼筋直徑宜取14 mm～25 mm；2)異形柱的內(nèi)折角位置須設(shè)縱向受力鋼筋；3)縱向鋼筋間距：二、三級(jí)抗震下的間距最大值為200 mm；四級(jí)不宜大于250 mm；非抗震設(shè)計(jì)不宜大于300 mm。若不符合以上要求，則應(yīng)配置拉筋以及直徑大于12 mm的縱向構(gòu)造鋼筋；4)考慮異形框架柱全部縱向受力鋼筋總配筋時(shí)的最小配筋率要求如表2所示。

1.3 雙偏心受壓異形柱正截面承載力簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

表2 全部縱向受力鋼筋最小總配筋率 %

建立如圖1所示坐標(biāo)系，將異形柱截面置于第一象限。A—A為中和軸，R為坐標(biāo)原點(diǎn)至中和軸的距離，θ為中和軸的法線與X軸的夾角，x,y分別為截面兩個(gè)方向的形心軸。

截面中和軸方程：

(1)

任意一點(diǎn)的應(yīng)變方程：

(2)

其中,c為混凝土原點(diǎn)的應(yīng)變，當(dāng)受壓時(shí)c為正值。

首先假設(shè)R和θ的值，將R和θ代入式(2)求出異形柱中任意一點(diǎn)的應(yīng)變，然后由鋼筋和混凝土的σ—ε關(guān)系，求得鋼筋和混凝土的應(yīng)力σsj和σcj，最后由式(3)～式(5)求出截面的內(nèi)力。

(3)

(4)

(5)

其中,Mx，My分別為對(duì)x，y兩個(gè)方向截面形心軸的彎矩；N為軸向力；nc，ns分別為混凝土及鋼筋單元總數(shù)；Aci，Asj分別為第i個(gè)混凝土單元和第j個(gè)鋼筋單元的面積；σci，σsj分別為第i個(gè)混凝土單元和第j個(gè)鋼筋單元的應(yīng)力；X0，Y0均為截面形心坐標(biāo)；Xci，Yci均為第i個(gè)混凝土單元在X-Y坐標(biāo)系下的形心坐標(biāo)；Xsj，Ysj均為第j個(gè)鋼筋單元在X-Y坐標(biāo)系下的形心坐標(biāo)。

將求出的截面內(nèi)力N，Mx，My與設(shè)計(jì)值比較，若滿足要求，則不再進(jìn)行計(jì)算。若不滿足要求，則調(diào)整R，θ以及鋼筋的直徑。

2 工程實(shí)例分析

表3 異形柱肢長(zhǎng)和肢厚的規(guī)范取值與實(shí)際取值對(duì)比 mm

本工程為6層異形柱框架結(jié)構(gòu)住宅樓，建筑總高18.3 m，寬11.5 m，首層結(jié)構(gòu) 層高為3.9 m，2層～6層為2.9 m，該住宅樓建于Ⅱ類場(chǎng)地上，7度抗震設(shè)防， 抗震等級(jí)為三級(jí)，基本風(fēng)壓及雪壓分別為0.35 kN/m2和0.6 kN/m2。

柱網(wǎng)尺寸小于5 m，除必要位置外，均設(shè)置成矩形柱。因結(jié)構(gòu)一、二層柱的軸力較大，因此采用C30混凝土，其余各層采用C25混凝土。異形柱肢長(zhǎng)與肢厚的規(guī)范取值與實(shí)際取值對(duì)比見表3。通過(guò)SATWE計(jì)算得到該異形柱框架結(jié)構(gòu)的最大軸壓比為0.6，最大層間位移角為1/1 239，均滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

異形柱結(jié)構(gòu)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于民用建筑中，但異形柱結(jié)構(gòu)在受力上存在一些缺陷，國(guó)家相關(guān)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)也不完善。我們應(yīng)注重對(duì)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，整體布置和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置應(yīng)力求合理，根據(jù)實(shí)際情況選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算模型并合理選取參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果應(yīng)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，力求從整體上判斷所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

[1]JGJ 149—2006,混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

[2]周 艷.異型柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2006(1):29-30.

[3]葉 倩.異型柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討.工程設(shè)計(jì)，2006，20(2):134-136.

Structural optimization design of frame structure with special-shaped column

Li Hang Dai Sujuan Peng Wei

(CollegeofCivilEngineeringandBuilding,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

Through analyzing relevant norms, the paper puts forward simplified calculation method of cross-section bearing capacity with special-shaped column and its optimization design contents, so as to be some help for engineering design, which has provided theoretical basis for special-shaped column frame structure and achieved unified value in all regions.

special-shaped column, frame structure, structural design optimization, cross-section bearing capacity

1009-6825(2015)18-0034-02

2015-04-16

李 航(1989- ),男，在讀碩士； 戴素娟(1963- ),女，教授； 彭 偉(1988- ),男，在讀碩士

TU318

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