異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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摘要：本文闡述了異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形拄框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的部分差異，并簡要介紹了異形柱框架結(jié)構(gòu)在SATWB軟件中有關(guān)粱柱節(jié)點(diǎn)域的處理方法，同時(shí)將作者在設(shè)計(jì)異形柱框架結(jié)構(gòu)中的學(xué)習(xí)心得與廣大設(shè)計(jì)人員共同探討。

　　關(guān)鍵詞：異形柱框架結(jié)構(gòu)；矩形柱框架結(jié)構(gòu)；SATWE；節(jié)點(diǎn)域

　　1、前言

　　隨著人們對房屋平面與空間布置的要求越來越高，從而對建筑設(shè)計(jì)布局有了新的要求。普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔己越來越不能被房屋使用者所接受，因?yàn)樗苯佑绊懙绞覂?nèi)家具的布置及空間的使用。建筑師要求結(jié)構(gòu)工程師配合解決這個(gè)問題，因而在框架結(jié)構(gòu)中以異形截面柱代替矩形柱。

　　在此，筆者擬與廣大設(shè)計(jì)人員共同探討一下混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

　　2、異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　2.1異形柱及異形柱結(jié)構(gòu)的定義

　　2.1.1《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GJ149-2006）對異形柱的定義是：截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比（柱肢截面高度與厚度的比值）不大于4的柱。L形截面柱多用于墻的轉(zhuǎn)角部位，T形和十字形截面柱多用于縱橫墻交接處。

　　2.1.2所謂異形柱框輕結(jié)構(gòu)即是由異形（T型、L型、十字型）柱組成框架，由輕質(zhì)填充墻所形成的結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑布置及結(jié)構(gòu)受力的需要，異形柱結(jié)構(gòu)中的框架柱，可全部采用異形柱，也可部分采用一般框架柱。建設(shè)部在1996年11月發(fā)布的文件中，對其特點(diǎn)做了如下闡述：

　　1）由T形邊柱、十字形中柱、L形角柱組成的框架：

　　2）填充墻與柱壁同厚，室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞：

　　3）因墻體減薄與磚混結(jié)構(gòu)相比，可增加使用面積8％～10％；

　　4）填充墻的墻體材料可根據(jù)當(dāng)?shù)乇馗魺嵋?，因地制宜，就地取材?/p>

　　2.2異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的差異

　　2.2.1對于相同烈度和結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度有較大幅度的降低。

　　2.2.2對于相同結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值、彈塑性層聞位移角限值更加嚴(yán)格一些。

　　2.2.3鋼筋混凝土房屋應(yīng)根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級。對于相同烈度和結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱結(jié)構(gòu)抗震等級的確定方法更加嚴(yán)格一些，其在房屋高度的取值上降低了數(shù)值。

　　2.2.4抗震設(shè)計(jì)時(shí)，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的比值不應(yīng)大于1.45；而矩形柱框架結(jié)構(gòu)的該比值為1.50。

　　2.2.5抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對于相同結(jié)構(gòu)類型的兩種體系而言，異形柱的軸壓比限值均有不同幅度的降低，意味著其要求更加嚴(yán)格。

　　2.2.6異形柱結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算，一般情況下，應(yīng)允許在結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算，各方向的水平地震作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)，7度（0.15g）及8度，（0.20g）時(shí)尚應(yīng)對與主軸成方向進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

　　2.3異形柱框架結(jié)構(gòu)在SATWE中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　能夠有效地分析帶有混凝土異形柱的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)，這是SATWE軟件的特點(diǎn)之一。在梁的剛度、荷載、及截面配筋計(jì)算時(shí)，充分考慮了異形柱框架結(jié)構(gòu)的特殊性。由于混凝土異形柱的柱肢較長，梁、柱在節(jié)點(diǎn)處的重疊部分較大，合理的力學(xué)模型簡化應(yīng)將重疊部分作為剛域，自重計(jì)算時(shí)不應(yīng)重復(fù)計(jì)算重疊部分的混凝土重量，SATWE軟件中對梁考慮了這樣的力學(xué)模型簡化：

　　（1）梁的計(jì)算按扣除剛域后的梁長計(jì)算：

　?。?）梁上的外荷載按梁兩端節(jié)點(diǎn)間長度計(jì)算；

　?。?）截面設(shè)計(jì)按扣除剛域后的梁長計(jì)算；

　　（4）梁端剛域的計(jì)算原則如下：

　　記梁兩端與柱的重疊部分長分別為Di和Dj，梁長為L（即兩端節(jié)點(diǎn)問的距離），梁高為H，則梁兩端的剛域的長度分別為Dbi＝Ma×（0，Di H/4）

　　Dbj＝Ma×（0，Dj—H/4）

　　扣除剛域后的梁長為：LO＝L－（Dbi＋Dbj）

　　2.4異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造的設(shè)計(jì)心得

　　2.4.1《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，異形柱結(jié)構(gòu)框架梁截面高度抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于400mm.當(dāng)節(jié)點(diǎn)的非彈性變形較大時(shí)，貫穿節(jié)點(diǎn)的柱縱向鋼筋粘結(jié)退化與滑移加劇，甚至出現(xiàn)沿節(jié)點(diǎn)區(qū)柱縱向鋼筋全長粘結(jié)破壞、現(xiàn)象發(fā)生。為保證其粘結(jié)應(yīng)力不致過大，避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，規(guī)定梁的高度、即節(jié)點(diǎn)高度不能太小。異形柱結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)條件可能不如普通框架節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)條件，故務(wù)必遵守此條規(guī)定。

　　2.4.2《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm.這是因?yàn)橹褫^小時(shí)，會造成梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼筋設(shè)置困難及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固強(qiáng)度不足，故限制肢厚不應(yīng)小于200mm，以保證結(jié)構(gòu)的安全及施工的方便。而限制肢高一方面為了滿足伸入柱內(nèi)的梁縱向鋼筋錨固長度，另一方面是考慮柱雙向正截面承載力要求和雙向受剪性能的要求。

　　2.4.3《異規(guī)》第6.3.5.1條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對二、三級抗震等級，貫穿中柱的梁縱向鋼筋直徑不宜大于該方向柱肢截面高度hc的1/30，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級為C40及以上時(shí)可取1/25，且縱向鋼筋直徑不應(yīng)大干25mm.矩形柱框架的框架梁縱向鋼筋伸入節(jié)點(diǎn)后，其相對保護(hù)層一般能滿足，而異形柱的c/d大部分僅為2.0左右，根據(jù)變形鋼筋粘結(jié)錨固強(qiáng)度公式分析對比可知，后者的粘結(jié)能力約為前者的0.7.為此，規(guī)定抗震設(shè)計(jì)時(shí)，梁縱向鋼筋直徑不宜大于該方向柱截面高度的1/30.由于粘結(jié)錨固強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的提高而提高，當(dāng)采用混凝土強(qiáng)度等級在C40以上時(shí)，可放寬到1/25。

　　2.4.4《異規(guī)》第6.3.5.4條及表6.3.5給出了異形柱結(jié)構(gòu)框架梁梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率。這比《抗規(guī)》第6.3.3條規(guī)定的梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不應(yīng)大于2.5％要嚴(yán)格。這是因?yàn)椋诘卣鹱饔媒M合內(nèi)力作用下，梁支座處縱向鋼筋有可能在節(jié)點(diǎn)一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，對于異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)更易引起縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的錨固破壞。為保證梁支座截面有足夠的延性，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮縱向鋼筋的受壓作用。為此，對二、三級抗震等級的框架梁可根據(jù)單筋梁滿足的條件來確定梁縱向受拉鋼筋最大配筋率。以C30混凝土，HRB335鋼應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋級別得出的。

　　2.4.5異形柱全部縱向受力鋼筋的配筋率，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)大于3％。這是因?yàn)楫愋沃裼邢?，柱中縱向受力鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度較差，故將縱向受力鋼筋的總配筋率由對矩形柱不大于5％降為不應(yīng)大于3％，以減少粘結(jié)破壞和節(jié)點(diǎn)處鋼筋設(shè)置的困難。

　　3、工程算例

　　3.1工程概況某多層異形柱框架結(jié)構(gòu)，共6層。地震烈度為7度（設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g），框架抗震等級為三級。

　　3.2設(shè)計(jì)心得

　　3.2.1在設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)時(shí)，最初將混凝土強(qiáng)度等級定為C30，但是計(jì)算得到的異形柱軸壓比超過規(guī)范規(guī)定限制，同時(shí)梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率超過《異規(guī)》表6.3.5的要求。雖然對樓板而言，采用C30混凝土是可以的，但考慮到梁板柱的施工問題，同時(shí)為滿足異形柱軸壓比以及梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率的要求，最終將梁板柱的混凝土強(qiáng)度等級全部改為C40。不過考慮到混凝土強(qiáng)度等級較高時(shí)樓板易開裂的問題，在樓板設(shè)計(jì)中采取必要的抗裂措施。

　　3.2.2從中可以看出，有Z形、W形柱，這里介紹一下這兩種柱的處理方法。

　?。?）Z形柱，是由兩個(gè)L形柱組成的。在PMCAD輸入時(shí)按兩個(gè)L形柱來輸入并進(jìn)行內(nèi)力及配筋計(jì)算。因?yàn)閆形柱受力較大時(shí)易在中間肢劈開，劈開后（極限狀態(tài)）其受力接近于兩個(gè)L形柱，按兩個(gè)L形柱處理較為合理。此時(shí)兩個(gè)L形柱間的梁會困剛度太大而超筋，因?yàn)閷?shí)際上無此梁，只是有限元計(jì)算時(shí)兩柱問有聯(lián)系必須有此梁，故不必管。

　　（2）W形柱，計(jì)算及配筋時(shí)是按T形柱考慮的。只是由于建筑布置的要求，此處垂直搭接至T形翼緣上的梁的梁端鋼筋錨固長度，由于翼緣厚度只有200mm，不能滿足要求。故在此處增加一部分混凝土，該部分按構(gòu)造配筋，就是為了解決梁端鋼筋錨固長度的問題。

　　通過該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本人意識到為保證結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)構(gòu)造在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中起著非常重要的作用。尤其對于異形柱結(jié)構(gòu)而言，實(shí)際上是梁柱節(jié)點(diǎn)域的設(shè)計(jì)。

　　總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場需求，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力特點(diǎn)，充分了解其破壞機(jī)理，選用合理的柱網(wǎng)布置形式，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結(jié)構(gòu)具有可靠的安全保證。