異形柱節(jié)點(diǎn)域抗剪超限問題簡析

張紅州

（廣州博廈建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510623）

0 前言

混凝土異形柱結(jié)構(gòu)是以T形、L形、十字形、Z形的異形截面柱（截面各肢的肢高肢厚比≤4 的柱）代替一般框架柱作為豎向支承構(gòu)件而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，可以避免框架柱在室內(nèi)凸出，少占建筑空間，改善建筑觀瞻，在多層住宅項(xiàng)目中被大量采用。結(jié)合《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 149-2017》［1］表5.3.2-2 規(guī)定，截面的肢高≤1 000 mm，則肢厚≤250 mm。因截面寬度小很容易引起節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面剪壓比超限，且在高烈度區(qū)很難調(diào)整滿足規(guī)范要求［2］。因節(jié)點(diǎn)剪壓比影響節(jié)點(diǎn)的綜合抗震性能［3，4］，需要嚴(yán)格控制。同時(shí)因節(jié)點(diǎn)寬度小、鋼筋密、澆搗質(zhì)量差等不足，節(jié)點(diǎn)抗剪承載力應(yīng)留有一定的富余度。

1 規(guī)范公式分析

文獻(xiàn)［1］第5.3.2，5.3.5 條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)的中間層中間節(jié)點(diǎn)和端節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪的水平截面應(yīng)符合式⑴、式⑵的條件。因頂層容易滿足本文不進(jìn)行分析。

式中:［V］為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力設(shè)計(jì)值；Vj為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)組合的剪力設(shè)計(jì)值。其余各參數(shù)具體含義詳見文獻(xiàn)［1］。

普通混凝土結(jié)構(gòu)α =1.0。由式⑴可知，提高fc可有效提高［V］，因混凝土強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響很小，故可簡單確定提高比例。如由C30調(diào)高到C35時(shí)抗壓強(qiáng)度比為16.7/14.3=1.17，同時(shí)還可以增大ζN，即提高至少17%［5，6］。

其余參數(shù)均與柱截面相關(guān)聯(lián)，但柱截面與結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)聯(lián)而影響梁端彎矩［7］，故最終影響要綜合考慮式⑴、式⑵。

式⑵適用于框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)幾何尺寸遠(yuǎn)小于梁跨和柱高的情況。根據(jù)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁、柱彎矩平衡求得。節(jié)點(diǎn)上下端水平剪力為力偶，以節(jié)點(diǎn)核心區(qū)有效高度為力臂，平衡梁端彎矩之和［8］。所以增加節(jié)點(diǎn)有效高度及減小梁端彎矩之和，均可減小Vj。

因地震作用的大小與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，減小梁跨度、加高梁截面、加大柱截面可以減小非地震作用的彎矩，但同時(shí)都會(huì)增大地震作用產(chǎn)生的彎矩。遺憾的是此消彼長后總彎矩減少相當(dāng)有限，高烈度時(shí)甚至還會(huì)增大。通過以下案例計(jì)算進(jìn)行總結(jié)。

2 案例計(jì)算

以某5 層住宅為例，利用YJK 軟件計(jì)算不同梁柱截面時(shí)的節(jié)點(diǎn)剪壓比，總結(jié)其變化規(guī)律。

2.1 設(shè)計(jì)條件

Ⅱ類場地、設(shè)計(jì)地震分組為第二組、框架抗震等級(jí)為三級(jí)、梁柱混凝土為C30。層高為首層4.5 m，其余層3.6 m。結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示，L 型柱截面為200×600×600，梁截面為200×400～200×600?，F(xiàn)以首層框架柱“Z1”形成的節(jié)點(diǎn)Y向抗剪進(jìn)行分析。

圖1 結(jié)構(gòu)平面Fig.1 Structural Plan

2.2 梁高的影響

僅調(diào)整梁截面（Z1 截面為200×600×600），結(jié)果如表1所示。

表1 抗震設(shè)防烈度7度及7.5度時(shí)節(jié)點(diǎn)剪壓比Tab.1 Shear Compression Ratio of Joint with 7 and 7.5 Degree Earthquake

由表1 可知，加高梁截面可有效改善節(jié)點(diǎn)抗剪超限問題，在低烈度常規(guī)截面時(shí)表現(xiàn)出單調(diào)線性關(guān)系。這是因?yàn)橛闪航孛婕哟蠖鸬牧憾藦澗卦鲩L幅度小于節(jié)點(diǎn)截面增加幅度。但高烈度時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度變大引起的梁端彎矩增加較多，沒有表現(xiàn)出線性規(guī)律，而在一個(gè)中間截面組合時(shí)出現(xiàn)最小比值。

2.3 柱肢截面高度的影響

以表1 中有利的梁截面組合B1:200×700、B2:200×500、B3:200×600 為基礎(chǔ)，僅調(diào)整Z1 截面。結(jié)果如表2所示。

表2 抗震設(shè)防烈度7度和7.5度時(shí)節(jié)點(diǎn)剪壓比Tab.2 Shear Compression Ratio of Joint with 7 and 7.5 Degree Earthquake

加大柱截面高度對結(jié)構(gòu)剛度增加更明顯，從而引起的梁端彎矩增加幅度較大，在高烈度區(qū)更是如此。剪壓比在一個(gè)中間截面高度時(shí)出現(xiàn)最小比值。由表1、表2 的結(jié)果可知:在高烈度區(qū)，調(diào)整梁柱截面高度引起的節(jié)點(diǎn)剪壓比變化沒有規(guī)律。實(shí)際設(shè)計(jì)常出現(xiàn)反復(fù)調(diào)整試算也難滿足，超過7.5度時(shí)更難調(diào)整。

3 調(diào)整措施總結(jié)

3.1 提高異形柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)簡單有效

實(shí)際工程僅提高超限柱不現(xiàn)實(shí)，而因個(gè)別柱超限把整層柱或全部梁板柱混凝土等級(jí)提高，經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差。故需結(jié)合超限數(shù)量和項(xiàng)目情況考慮取舍。當(dāng)僅提高柱混凝土強(qiáng)度時(shí)，施工圖應(yīng)對節(jié)點(diǎn)施工方法提出明確要求，并加強(qiáng)技術(shù)交底工作［9］。

3.2 加高與框架柱相連的梁截面，以增加節(jié)點(diǎn)有效截面高度

當(dāng)梁端采用豎向加腋而非整條梁加高時(shí)，還可以降低梁端總彎矩，效果會(huì)更好一些［10］。但異形柱框架結(jié)構(gòu)梁跨度都不大，會(huì)因加腋范圍相對較大而降低其效果，對超限很少的節(jié)點(diǎn)可通過試算決定是否采取。

3.3 加大柱肢的厚度

截面厚度加大可提高節(jié)點(diǎn)抗力，對結(jié)構(gòu)剛度影響較小，但勢必會(huì)引起外露柱角。對高品質(zhì)的住宅和一些要求較高的業(yè)主是難以接受的。對一些次要空間在與業(yè)主、建筑專業(yè)協(xié)商統(tǒng)一意見后也可以采用。

3.4 適當(dāng)位置加剪力墻

在高烈度區(qū)采取以上3條措施仍無效時(shí)，實(shí)際已很難通過小量的調(diào)整截面尺寸來滿足。此時(shí)可把超限嚴(yán)重的柱改為剪力墻。對超限異形柱數(shù)量較多時(shí)，宜考慮框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

高烈度區(qū)異形柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)剪壓比超限是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，首先應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果文件看總的超限數(shù)量和每根柱的超限比例，當(dāng)超限較少時(shí)，可通過本文總結(jié)的調(diào)整措施，進(jìn)行細(xì)致計(jì)算推敲。當(dāng)剪力超出很多、超限的柱數(shù)量較多時(shí)，小量的截面尺寸調(diào)整已難以滿足，應(yīng)擇優(yōu)考慮布置剪力墻，可避免反復(fù)調(diào)整浪費(fèi)時(shí)間。