混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用及常見問題探討

劉建生

（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院青島分院，山東 青島 266000）

混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用及常見問題探討

劉建生

（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院青島分院，山東 青島 266000）

異形柱由于其自身截面較小，造價(jià)較低，且具有不占用建筑空間、用戶使用方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段受到越來越多的建設(shè)單位和建筑設(shè)計(jì)師的青睞。文章通過對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的梳理，分析了異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)狀，并結(jié)合設(shè)計(jì)與施工過程中容易出現(xiàn)的問題，提出了相應(yīng)的解決辦法，以供設(shè)計(jì)和施工人員參考。

異形柱；抗震性能；延性

異形柱是指截面幾何形狀為L形、T形、十字形，且其截面各肢的肢長與肢厚之比不大于4的柱（肢長與肢厚之比大于4為混凝土墻）?；炷廉愋沃氖芰π阅芙橛谄胀ɑ炷林c混凝土剪力墻之間，其延性相對(duì)混凝土普通柱來說較差，但又較混凝土墻好。

異形柱結(jié)構(gòu)相比普通矩形柱，可以避免由于混凝土柱截面尺寸大于墻厚而造成的室內(nèi)局部凸出現(xiàn)象，因而節(jié)約了室內(nèi)使用空間。由于其布置形式靈活多樣，同樣可以為建筑造型等帶來很大的便利；相比于普通磚混結(jié)構(gòu)，異形柱結(jié)構(gòu)拋棄了砌體結(jié)構(gòu)中的磚墻等自重較大的墻體，取而代之以加氣混凝土砌塊或其他輕質(zhì)材料，甚至直接使用輕質(zhì)墻板整體施工墻體，大大減輕了結(jié)構(gòu)自身的重量，并縮短了工程周期，降低工程成本；相比普通混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，異形柱自身截面較小，混凝土和鋼筋的用量均較少，可以大大節(jié)約工程材料，降低工程造價(jià)。由此可見，由于自身優(yōu)點(diǎn)突出，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在民用建筑中具有非常廣闊的使用前景。

1　異形柱結(jié)構(gòu)的適用條件和研究現(xiàn)狀

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）［1］于2006年8月1日起實(shí)施，為混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。其規(guī)定的異形柱結(jié)構(gòu)的房屋最大高度如表1所示。

表1　異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)的最大高度/m

由此可見，對(duì)于普通的多層住宅而言，異形柱結(jié)構(gòu)大部分適用，尤其是在別墅這類總高度不大但對(duì)使用功能和外觀要求都比較高的建筑中，異形柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢尤為明顯。

我國對(duì)異形柱的研究和使用已有三十多年的歷史。自二十世紀(jì)八十年代以來，由于使用功能上的需求，異形柱結(jié)構(gòu)逐步得到推廣。近年來，國內(nèi)外各高等院校、設(shè)計(jì)單位、科研機(jī)構(gòu)等均對(duì)異形柱的基本性能、設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造措施及施工方案等方面進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和工程實(shí)踐，例如2002年曹萬林等［2］通過異形柱的抗震性能試驗(yàn)，分析并研究了異形柱在承載力、剛度、延性的特點(diǎn)，并比較了帶暗柱異形柱與普通異形柱在破壞形態(tài)上的差異，提出了帶暗柱異形柱的適用范圍、設(shè)計(jì)方法及抗震構(gòu)造措施等。2007年曹萬林等［3］對(duì)鋼骨混凝土異形截面柱的軸壓比、抗震性能、延性等進(jìn)行了分析。劉祖強(qiáng)等［4］對(duì)型鋼混凝土異形柱框架在反復(fù)荷載作用下的耗能能力進(jìn)行了研究。這些研究都為異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

2　異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

現(xiàn)行《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）是異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，其中，針對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析和截面設(shè)計(jì)及構(gòu)造等方面，該規(guī)程均給出了相應(yīng)的規(guī)定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步是確定設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是決定結(jié)構(gòu)合理性與經(jīng)濟(jì)性的重要因素。在確定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮設(shè)防烈度、房屋高度、施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件等因素；應(yīng)盡量通過合理的結(jié)構(gòu)方案增加結(jié)構(gòu)的多余約束和超靜定次數(shù)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可能的連續(xù)性倒塌。此外，通過計(jì)算分析得到結(jié)構(gòu)各構(gòu)件所受到的作用力，通過內(nèi)力調(diào)整和相應(yīng)的構(gòu)造措施達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的第一個(gè)問題就是梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪承載力不足。異形柱節(jié)點(diǎn)域較小，其承載力一般不大，針對(duì)這個(gè)問題通常的解決辦法有四種：①調(diào)整異形柱截面以增大節(jié)點(diǎn)域面積，但異形柱截面增大后，其分配到的地震力也增大，故柱截面不可過大；②調(diào)整梁的高度以增加節(jié)點(diǎn)域面積；③調(diào)整柱布置方案，通過改變柱間距或梁的跨度以實(shí)現(xiàn)作用力的重新分配；④提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的第二個(gè)問題為彈性層間位移角超限?！痘炷廉愋沃Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）中對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值的要求如表2所示。

表2　異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值

此限值要求相比普通矩形柱框架結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)形式來說都更為嚴(yán)格。但由于異形柱截面不大，其抗側(cè)力剛度較小，在地震或風(fēng)荷載作用下很容易出現(xiàn)彈性層間位移角超限的情況。對(duì)此，一般的解決辦法是盡量采用平面和立面規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如：剛度和承載力均勻分布；異形柱的柱距不要太大，一般最大4～5米左右；縱橫方向的柱網(wǎng)分別對(duì)齊拉通；異形柱截面肢厚中心線與框架梁的中心線對(duì)齊等。

混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204）［5］的相關(guān)要求，并應(yīng)制定專門的施工技術(shù)方案。此外，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場施工的追蹤研究，主要有以下兩點(diǎn)值得關(guān)注：①由于混凝土異形柱截面較小，在梁柱節(jié)點(diǎn)處配筋較為密集，施工時(shí)的難度較大?，F(xiàn)階段一般的處理方法就是盡量減少鋼筋根數(shù)，但規(guī)范對(duì)鋼筋的最大直徑有所限制（見《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）第6.3.2條），故通過減少鋼筋根數(shù)來解決該問題仍有一定的局限性；另外，還可采用石子粒徑較小的混凝土來降低施工難度。由于石子粒徑較小的混凝土便于振搗，節(jié)點(diǎn)處混凝土的密實(shí)度可以得到更好的保證，因此現(xiàn)在施工單位一般也是采用此種方法。有的單位在施工過程中對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)和柱混凝土處留置施工縫并分開澆筑，此種方法易造成異形柱裂縫的形成，其受力性能也會(huì)受到一定程度的影響，故不建議采用，如必須采用時(shí)則應(yīng)采取特殊的處理措施。②由于異形柱截面較小，施工時(shí)必須盡量控制施工精度以減小施工偏差。由于異形柱截面往往較小，冬季施工如果養(yǎng)護(hù)措施不到位，很容易造成混凝土的開裂，這種情況一般可通過添加混凝土外加劑、采用專門的冬季施工方案等手段加以解決。

3　異形柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

異形柱結(jié)構(gòu)由于其自身的特點(diǎn)，具有其他結(jié)構(gòu)形式無法比擬的優(yōu)越性，雖然其延性、承載力均弱于相應(yīng)的普通矩形柱框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，但在建筑高度不大的情況下，異形柱結(jié)構(gòu)還是具有較好的適用性。隨著人們對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的研究不斷深入以及規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等的逐步完善，異形柱結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性會(huì)逐漸提高、適用性更廣，異形柱結(jié)構(gòu)在建筑中也必將發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］ JGJ149-2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］曹萬林.鋼筋混凝土帶暗柱異形柱抗震性能試驗(yàn)及分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2002，（1）：17-21.

［3］曹萬林.鋼骨混凝土異形截面柱抗震性能試驗(yàn)及分析［J］.土木工程學(xué)報(bào).2007，（1）：26-33.

［4］劉祖強(qiáng).型鋼混凝土異形柱框架滯回性能分析［J］.工程力學(xué).2016，（7）：81-91.

［5］ GB 50204-2015混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

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