建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的異形柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)探討

文/程鴻超 光明地產(chǎn)集團(tuán)上海明旺房地產(chǎn)有限公司 上海 200000

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的異形柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)探討

文/程鴻超 光明地產(chǎn)集團(tuán)上海明旺房地產(chǎn)有限公司 上海 200000

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中異形柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)的研究和分析要以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ)，而準(zhǔn)確進(jìn)行異形柱節(jié)點(diǎn)分類是前提，針對(duì)性的進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受力性能的分析，精準(zhǔn)的給出節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的計(jì)算方法，科學(xué)的總結(jié)影響因素并合理化建議，下面我們就從相關(guān)單位的軸壓比、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率、柱截面高度變化等因素對(duì)抗剪承載力的影響做具體分析。

異形柱；節(jié)點(diǎn)特性；受力分析；抗剪承載力

1、異形柱節(jié)點(diǎn)分類的原則

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常把梁與柱的交匯區(qū)定位為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可以對(duì)荷載力進(jìn)行有效傳導(dǎo)，承接的傳導(dǎo)范圍是所屬的本層和上層荷載和作用（例如地震）傳遞到下層柱中。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)作用力復(fù)雜，影響因素較多。只有與節(jié)點(diǎn)連接的構(gòu)件滿足受力要求，才能保證結(jié)構(gòu)安全。

2、異形柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理分析及計(jì)算公式

2.1 異形柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理分析

要研究異形柱節(jié)點(diǎn)受力的機(jī)理，應(yīng)確定異型節(jié)點(diǎn)破壞的集中區(qū)域，我們將其稱為 “小核心”,研究時(shí)要細(xì)化精分，科學(xué)定位。常規(guī)節(jié)點(diǎn)存在斜壓桿、桁架和約束機(jī)構(gòu)3種傳力機(jī)構(gòu)，異型節(jié)點(diǎn)“小核心”與此相同，不同點(diǎn)在于受梁端正反向加載時(shí)受力不對(duì)稱，使壓桿、桁架和約束機(jī)構(gòu)的作用大小和常規(guī)節(jié)點(diǎn)有所差異，但作用都是此消彼長(zhǎng),傳力機(jī)構(gòu)承擔(dān)的剪力變化影響定量計(jì)算,為此我們將異型節(jié)點(diǎn)的抗剪能力分解為“小核心”混凝土抗剪能力和箍筋抗剪能力兩部分, 綜合得出可用于工程設(shè)計(jì)的異型節(jié)點(diǎn)抗剪承載力公式。

2.2 異形柱節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算公式

（1）當(dāng)處于無(wú)地震作用組合

（2）當(dāng)處于有地震作用組合

在實(shí)際應(yīng)用計(jì)算中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力應(yīng)符合下列標(biāo)準(zhǔn)：

（1） 當(dāng)處于無(wú)地震作用組合

（2） 當(dāng)處于有地震作用組合

式中：

N—與地震作用組合或有地震作用組合的節(jié)點(diǎn)剪力設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的該節(jié)點(diǎn)上柱底部軸向力設(shè)計(jì)值，當(dāng)N為壓力且當(dāng)N＞0.3fcA時(shí)，取N=0.3fcA；當(dāng)N為拉力時(shí)，取0字符N=0；ζN—軸壓比影響系數(shù)；ζh—截面高度影響系數(shù)；ζf—翼緣影響系數(shù)。

2.3 試驗(yàn)研究和計(jì)算分析結(jié)果

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力低于同等條件下矩形柱框架節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力是異形柱框架結(jié)構(gòu)的短板部分，在節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式里要考慮翼緣的有利作用，無(wú)論是寬度還是厚度都要規(guī)范合理，保證節(jié)點(diǎn)組合體的延性需求，還可采取梁（水平）加腋增加節(jié)點(diǎn)有效截面面積，提高節(jié)點(diǎn)區(qū)材料強(qiáng)度，局部采用鋼纖維混凝土作為材料，再有就是梁塑性鉸外移，以上的這些辦法有待深入的研究和改良。

3、異形柱節(jié)點(diǎn)抗剪能力的受控因素

3.1 軸壓比的影響

軸壓力使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗初裂能力提高,柱的受壓區(qū)面積增大，斜壓桿的寬度增加,同時(shí)參與斜壓桿機(jī)構(gòu)的混凝土面積增大, 從而導(dǎo)致梁筋在給節(jié)點(diǎn)核心混凝土進(jìn)行邊緣剪力傳遞時(shí)把更多的部分匯入了斜壓桿機(jī)構(gòu), 邊緣剪力的分流降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)核心混凝土開(kāi)裂的影響，另外,主斜裂縫與水平方向的角度也隨軸壓力的提高而增大。軸壓力也使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土受到較強(qiáng)的累積損傷效應(yīng), 利弊相抵，軸壓力對(duì)節(jié)點(diǎn)的通裂和極限荷載提高不明顯。

3.2 節(jié)點(diǎn)核心配箍率的影響

箍筋的質(zhì)量和配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力影響很大，但初裂剪力并不能讓箍筋產(chǎn)生較大的反抗，因?yàn)槌趿褧r(shí)節(jié)點(diǎn)剪力 Vj受控于混凝土的抗拉強(qiáng)度，只有形成裂縫之時(shí)，箍筋將受到較大的剪力作用，甚至難以支持，此時(shí)桁架機(jī)構(gòu)產(chǎn)生作用，箍筋有效地進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剪力的抵抗。

3.3 柱截面高度變化的影響

截面是力的承受區(qū)域，異型中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域有上下柱截面和左右梁截面，由于截面面積位置不同會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)核心開(kāi)裂造成影響。初始期裂縫出現(xiàn)位置在節(jié)點(diǎn)“小核心”區(qū)域,由此可以導(dǎo)致初裂荷載降低，幅度在30%左右,對(duì)通裂荷載影響不大。因此常規(guī)節(jié)點(diǎn)與異型節(jié)點(diǎn)相比，通裂后節(jié)點(diǎn)核心對(duì)節(jié)點(diǎn)剪力的持續(xù)增長(zhǎng)仍具有很高的承擔(dān)能力。

4、異形柱設(shè)計(jì)的合理化建議

4.1 縱向鋼筋和箍筋需合理配比

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，HRB400、HRB335級(jí)鋼筋適合用于處于縱向受力狀態(tài)的鋼筋；箍筋通常為HRB335、HRB400、HPB235級(jí)別的鋼筋。當(dāng)處于相同受力截面時(shí)要求縱向受力鋼筋直徑相同,直徑范圍在14mm到25mm之間。異形柱內(nèi)折角部位采用縱向受力鋼筋。縱向鋼筋間距設(shè)計(jì)要求：對(duì)于Ⅱ、Ⅲ級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)要求不大于200mm；對(duì)于Ⅳ級(jí)設(shè)計(jì)要求不大于250mm；對(duì)于非抗震設(shè)計(jì)情況下應(yīng)不大于300mm。要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求具體確定縱向受力鋼筋的間距，如果有不能滿足上述幾種情況的要求時(shí)，要設(shè)置直徑不應(yīng)小于12mm的縱向構(gòu)造鋼筋和間距與箍筋相同的拉筋以保證達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。異形柱設(shè)計(jì)中不許采用有內(nèi)折角的箍筋，要采用復(fù)合箍筋的形式。對(duì)于非抗震設(shè)計(jì)，異形柱的箍筋直徑設(shè)計(jì)要求為不小于0.25d(d為縱向受力鋼筋的最大直徑)，且不應(yīng)小于6mm；要求箍筋間距不大于250mm，但是要保證不大于柱肢厚度和15d(d為縱向受力鋼筋的最小直徑)；與此同時(shí)還要考慮受力鋼筋的配筋率對(duì)箍筋直徑的影響，在柱中縱向受力鋼筋總體的配筋率在3%以上時(shí)，箍筋直徑設(shè)置為不小于8mm，間距設(shè)置為不大于200mm，并且要保證不大于1Od(d為縱向受力鋼筋的最小直徑)；而此時(shí)箍筋肢距確定標(biāo)準(zhǔn)為不大于300mm。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)異形柱加密區(qū)箍筋的設(shè)置要注意以下幾點(diǎn)：

①對(duì)于剪跨比不大于2的柱和因設(shè)置填充墻等原因所導(dǎo)致柱凈高與柱肢截面高度之比不大于4時(shí)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，這兩種柱箍筋沒(méi)有全長(zhǎng)加密。

②在Ⅲ、Ⅳ級(jí)抗震設(shè)計(jì)要求下，對(duì)箍筋加密區(qū)最大間距有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中之一是“應(yīng)小于等于縱向鋼筋直徑的7倍”。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，如果出現(xiàn)縱向鋼筋直徑為12mm或者14mm的情況，就要保證箍筋在加密區(qū)最大間距不超過(guò)84mm和98mm。針對(duì)當(dāng)前的規(guī)程，在對(duì)“縱向鋼筋”的解讀時(shí)有 “縱向受力鋼筋”和“縱向構(gòu)造鋼筋”兩種說(shuō)法，我們?cè)凇肮拷铋g距與縱筋直徑之比s/d”中說(shuō)的是 “縱向受力鋼筋”。而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，我們要和當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門進(jìn)行溝通和審查，詳細(xì)說(shuō)明，以免產(chǎn)生誤區(qū)。

4.2 對(duì)于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力超限問(wèn)題的建議

為了規(guī)避梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力不足的情況出現(xiàn)，根據(jù)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中5.3.5框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)組合的剪力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式（5.3.5-1、5.3.5-2、5.3.5-3、5.3.5-4） 進(jìn)行實(shí)際的操作，分步完成，大體步驟為：

①根據(jù)實(shí)際合理的對(duì)柱的計(jì)算高度進(jìn)行減小。

②增加處于梁柱節(jié)點(diǎn)位置梁的截面有效高度和截面高度。

③對(duì)節(jié)點(diǎn)左、右兩側(cè)梁端彎矩設(shè)計(jì)值合理的減小。

一般情況下柱布置之時(shí)進(jìn)行柱子的轉(zhuǎn)角，可以使我們用PKPM等一些設(shè)計(jì)軟件對(duì)結(jié)構(gòu)建模分析的時(shí)候，達(dá)到操作方便和減小截面類型的目的，要根據(jù)原截面定義時(shí)的方向檢測(cè)超限方向，不能單一的以某個(gè)節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)超限為主體進(jìn)行設(shè)計(jì)，要宏觀控制，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置、梁柱截面合理的把握結(jié)構(gòu)整體剛度分布，務(wù)必保證均勻性。

4.3 對(duì)軸壓比限值的分析

與矩形柱相比，對(duì)單調(diào)荷載，尤其是在低周反復(fù)荷載作用下，異形柱的粘結(jié)破壞嚴(yán)重性較高，而且比普通矩形柱延性要差，在天津《規(guī)程》里根據(jù)剪跨比，結(jié)構(gòu)體系，截面類型、箍筋間距與筋直徑比s/d、箍筋直徑d和抗震等級(jí)確定波動(dòng)區(qū)間為0.3～0.7。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，我們應(yīng)在程序試算后，對(duì)各柱的軸壓比按照上述的條件綜合確定其具體限值，要保證各層柱的軸壓比不超限，仔細(xì)對(duì)配筋簡(jiǎn)圖每一個(gè)計(jì)算軸壓比進(jìn)行核檢。在此過(guò)程中要采用人工的核算方式，一一核算。對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的柱截面高度與寬度的比值不大于4而柱截面寬度為200mm如：700mm×200mm的一字形矩形柱，其截面類型延性較弱，要結(jié)合短肢剪力墻和異形柱的規(guī)定，更嚴(yán)格的確定其軸壓比。

結(jié)論：

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們對(duì)地震區(qū)節(jié)點(diǎn)受剪承載力計(jì)算公式的定位要準(zhǔn)確合理，不要簡(jiǎn)約大概的模式與思維，要針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題和工程實(shí)際，合理分析，科學(xué)設(shè)計(jì)，有以下幾點(diǎn)需要注意：

（1）當(dāng)異形柱框架結(jié)構(gòu)處于不對(duì)稱情況時(shí)，要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)對(duì)其受力的影響；

（2）合理的分析異形柱框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性變化；

（3）根據(jù)實(shí)際情況考慮，設(shè)置抗震墻，要合理適量；

（4）開(kāi)發(fā)更實(shí)用性的軟件，應(yīng)用于異形柱框架結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)方面。

[1]黃明智.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的異形柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，建筑科學(xué)，2012（05）,206.

[2]劉祖強(qiáng).型鋼混凝土異形柱框架抗震性能及設(shè)計(jì)方法研究[J].西安科技大學(xué)，博論，2012（05）.

[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院高層建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)部?進(jìn)一步提高多層及高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序.(建筑結(jié)構(gòu)).