混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的抗震性能分析及概念設(shè)計(jì)

郭 帥 劉艷麗

(山西晉西建筑安裝工程有限責(zé)任公司，山西太原 030027)

混凝土異形柱結(jié)構(gòu)由于既避免了普通框架結(jié)構(gòu)露梁露柱影響美觀的情況，又可滿足人們對(duì)住宅空間靈活性的要求，因而得到了業(yè)主與房產(chǎn)開(kāi)發(fā)商的肯定和歡迎。在我國(guó)許多省市地區(qū)，住宅建筑有普遍采用混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，甚至在抗震設(shè)防烈度為8度及以上的高烈度地區(qū)也開(kāi)始有所應(yīng)用。然而，廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員更為關(guān)心的是:混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在滿足建筑功能要求的同時(shí)，其抗震性能是否也能滿足高烈度地區(qū)的抗震設(shè)防要求，因此本文針對(duì)混凝土異形柱結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題進(jìn)行了探討，這應(yīng)該是關(guān)注的內(nèi)容。

1 混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的概念

異形截面柱相對(duì)常用普通的矩形截面而言，簡(jiǎn)稱為異形柱，所謂異形截面是指柱截面的幾何形狀不是簡(jiǎn)單規(guī)則的矩形，而采用諸如T，L，十字形等不規(guī)則形狀截面，根據(jù)建筑使用功能和建筑布置的要求，可以采取不同的幾何形狀截面。異形柱指在具有不規(guī)則形狀柱截面，且各肢的肢高與肢厚之比小于4的柱，各肢肢長(zhǎng)可能相等或不相等。異形柱結(jié)構(gòu)包括異形柱框架結(jié)構(gòu)和異形柱框剪結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土框架梁、抗震墻及樓板與各種截面形式的異形柱現(xiàn)澆成為能夠承擔(dān)各類荷載的結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)采用填充墻體進(jìn)行靈活分隔空間時(shí)，具有梁柱棱邊隱蔽的特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)建筑功能，同時(shí)滿足保溫、隔熱要求的框架結(jié)構(gòu)或框剪結(jié)構(gòu)。

2 異形柱的抗震受力性能分析

2.1 異形柱的延性較差

異形柱截面的剪切中心往往位于截面范圍之外，其抗扭性能差，不同方面的柱肢結(jié)合部有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。受力時(shí)異形柱要靠各柱肢交點(diǎn)處核心混凝土的協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，并產(chǎn)生相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，翹曲現(xiàn)象隨肢長(zhǎng)與肢寬比變大而越來(lái)越嚴(yán)重。剪應(yīng)力易造成柱肢先出現(xiàn)裂縫，也使核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，降低柱變形能力，使得脆性破壞明顯;異形柱常屬薄壁短柱構(gòu)件，彎曲變形性能有限，延性較差;對(duì)異形柱需嚴(yán)格控制軸壓比值，較大軸壓比下異形柱的延性下降更快;異形柱還存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。

2.2 異形柱承載能力為各向異性

異形柱各柱肢長(zhǎng)度及厚度的差異，導(dǎo)致其平面內(nèi)外各向抗彎剛度相異，其各向抗震承載能力也相差較大。研究表明，當(dāng)與異形柱形心軸線不同角度的荷載作用于異形柱時(shí)，其截面曲率延性差異很大，其中L形截面柱的差異最大，可達(dá)50%以上;相比雙軸對(duì)稱的方形截面柱，L形、T形截面柱的抗彎延性系數(shù)分別低約1/10～1/7及1/15～1/10，而十字形截面柱與方形截面柱的延性系數(shù)則相近。

2.3 異形柱抗震承載力相對(duì)普通柱較低

由于異形柱的多肢特點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)方向的肢件受剪承載時(shí)，另一個(gè)方向的與作用力相垂直的肢件不能充分發(fā)揮受剪承載力，造成異形柱混凝土項(xiàng)的受剪承載力小于矩形柱;而對(duì)于箍筋項(xiàng)受剪承載力，異形柱各方向的肢件通常只能設(shè)置成雙肢箍，其受剪箍筋面積小于方形柱配置的復(fù)合箍或中間拉條，以致它的箍筋項(xiàng)受剪承載力僅能為方形柱箍筋項(xiàng)受剪承載力的約2/3。

研究表明:在相同條件下，相等節(jié)點(diǎn)水平截面積的L形、T形和十字形截面異形柱的節(jié)點(diǎn)承載力分別約為矩形柱的節(jié)點(diǎn)承載力的2/3，1/6和1/12，而T形柱的抗扭承載力約為矩形柱的1/2。這主要是節(jié)點(diǎn)區(qū)翼緣肢面積，特別是肢邊緣處混凝土，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞時(shí)無(wú)法充分發(fā)揮作用所致。另外異形柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域因截面尺寸小，更容易發(fā)生縱向鋼筋粘結(jié)破壞。

2.4 梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域相對(duì)薄弱

按照強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固的抗震設(shè)計(jì)原則，節(jié)點(diǎn)為框架結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位。相對(duì)普通柱，由于異形柱各肢截面厚度與填充墻等厚，多為200 mm或300 mm，各肢交匯節(jié)點(diǎn)區(qū)域截面尺寸較小，一般為200 mm×200 mm或300 mm×300 mm，同時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域?yàn)楫愋沃蚣芰轰摻罱粎R部位，特別是節(jié)點(diǎn)彎矩較大時(shí)，負(fù)彎矩受力縱向鋼筋數(shù)量多，排列密，間距小，施工時(shí)混凝土難以振搗密實(shí)，施工質(zhì)量難以保證，必然導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域抗剪承載能力下降。地震時(shí)，相比普通截面框架柱，異形柱框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土鋼筋保護(hù)層更容易剝落，并且導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)抗彎、抗剪剛度的嚴(yán)重下降。影響異形柱節(jié)點(diǎn)抗彎、抗剪能力的因素包括:軸壓比、節(jié)點(diǎn)核心配箍率、柱截面高度變化。

3 異形柱結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)要求，若要在8度以上的高烈度地區(qū)實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，異形柱結(jié)構(gòu)和構(gòu)件必須具備足夠的承載力、剛度、延性、魯棒性和耗能能力。首先應(yīng)該從結(jié)構(gòu)選型及平面布置方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)注意抗震構(gòu)造措施。

震害表明，地震中因結(jié)構(gòu)平面或豎向不規(guī)則帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和傳力路線中斷等原因?qū)⒃斐山Y(jié)構(gòu)的嚴(yán)重震害。因此異形柱結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻。

邊柱常選用T形截面柱，角柱常選用L形截面柱，中柱常選用十字形截面柱。試驗(yàn)和理論分析表明，異形柱截面承載力，十字形截面優(yōu)于T形截面，而T形截面又優(yōu)于L形。異形柱截面各肢最宜等厚度、等長(zhǎng)度，避免混合使用截面差異較大的異形柱，否則在地震作用下非常不利。針對(duì)建筑上柱網(wǎng)軸線發(fā)生偏移的情況，可考慮采用一字形、Z形、槽形或矩形柱截面，并宜將柱肢、墻厚與梁寬的尺寸統(tǒng)一設(shè)計(jì);當(dāng)L形截面柱的一肢長(zhǎng)度小于0.5 m時(shí)，可考慮將另一較長(zhǎng)肢適當(dāng)加長(zhǎng)。對(duì)處于受力復(fù)雜、不利部位的角柱或框支柱或底部框架柱，宜采用矩形截面框架柱，以改善結(jié)構(gòu)的整體受力性能，既保證良好的建筑效果，又能增強(qiáng)底層的抗震能力，避免純異形柱框架中常出現(xiàn)的底部薄弱現(xiàn)象。對(duì)于異形柱—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)通過(guò)試算布置抗震墻的位置及數(shù)量，盡量增加結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)，并符合平面和豎向布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻的原則，設(shè)計(jì)成豎向規(guī)則和平面扭轉(zhuǎn)規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)平面布置較為復(fù)雜或有斜交抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，應(yīng)通過(guò)計(jì)算找出最不利方向角，并補(bǔ)充該方向驗(yàn)算。

4 結(jié)語(yǔ)

由于混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在異形柱構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)區(qū)域的抗震受力性能上的特殊性和薄弱性，因此在異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)初期做好結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置的工作，從根本上避免結(jié)構(gòu)薄弱抗震環(huán)節(jié)的缺陷，同時(shí)重視抗震構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)，滿足國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)的要求。

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