混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及在住宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及在住宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 【摘要】住宅設(shè)計(jì)中采用混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)越來越多。闡述了混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)中受力特點(diǎn)，針對(duì)異形柱受力破壞機(jī)理。指出合理的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造措施，以確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。 【關(guān)鍵詞】異形柱框架結(jié)構(gòu) 受力特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 構(gòu)造措施1、混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 異形柱：截面幾何形狀為L形、T形、和十字形，截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)：是以異形柱代替一般框架柱，和梁剛性連接組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。 (1)異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，實(shí)驗(yàn)研究及理論分析表明：異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載(作

2、用)方向不同而有較大差異。在L形、T形和十字形三種異形柱中，以L形柱的差異最為顯著。當(dāng)異形柱結(jié)構(gòu)中混合使用等肢異形柱與不等肢異形柱時(shí)，則差異情況更為錯(cuò)綜復(fù)雜，成為異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算中不容忽視的問題。所以對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維空間分析的方法，目前能用于這種結(jié)構(gòu)抗震分析的常用軟件有TAT，SATwE等o (2)實(shí)驗(yàn)表明，異形柱在單調(diào)荷載特別在低周反復(fù)荷載作用下粘結(jié)破壞較矩形柱嚴(yán)重。對(duì)柱的剪跨比不應(yīng)小于1.5的要求，是為了避免出現(xiàn)極短柱，減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險(xiǎn)性，為了設(shè)計(jì)方便，當(dāng)反彎點(diǎn)位于層高范圍內(nèi)時(shí)柱的凈高與柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于3。 (3)異形柱多為兩肢

3、、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力時(shí)要靠各肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力分布。由彈性分析知道這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢存在相當(dāng)?shù)穆N曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，其次對(duì)各肢相交之核心混凝土，使其單元應(yīng)力呈三維剪壓狀態(tài)，由此使異形柱較普通框架柱變形能力低，脆性破壞明顯。 (4)根據(jù)試驗(yàn)研究和理論分析知道，影響框架柱和剪力墻肢破壞形態(tài)的主要因素有：軸壓比U，剪跨比入、配筋率及構(gòu)造處理。異形柱作為壓剪構(gòu)件，由于其肢長與肢寬之比以及肢寬等介于普通框架柱和剪力墻肢之間，說明異形柱是介于兩者之間的一種“過渡性”構(gòu)件。試驗(yàn)和分析表明異形柱作為壓剪構(gòu)件

4、，其破壞形態(tài)有：彎曲破壞，小偏壓破壞，粘接破壞，高壓剪破壞以及剪壓破壞，剪拉破壞和斜壓破壞。和其破壞形態(tài)相關(guān)的主要因素是：軸壓比、柱凈高與截面肢長之比(即剪跨比)、縱筋配筋率等。通過必要的構(gòu)造措施可以防止粘結(jié)、剪拉及斜壓等脆性破壞，提高柱肢的小偏壓及剪壓破壞的延性。 (5)試驗(yàn)研究表明，異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受剪承載力，是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié)。為確保安全，對(duì)抗震設(shè)計(jì)的二、三、四級(jí)抗震等級(jí)柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及非抗震設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，均應(yīng)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算。在設(shè)計(jì)中，尚可采取各類有效措施，包括例如梁端增設(shè)支托或水平加腋等構(gòu)造措施，以提高或改善梁柱

5、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能。對(duì)于縱橫向框架共同交匯的節(jié)點(diǎn)，可以按各自方向分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算。2、混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21混凝土異形柱框架的結(jié)構(gòu)布置 合理的結(jié)構(gòu)布置(包括平面布置及豎向布置)無論在非抗震設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)中都有非常重要的意義，結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置宜簡單、規(guī)則、均勻，這就需要結(jié)構(gòu)工程師與建筑師密切協(xié)調(diào)配合，兼顧建筑功能與結(jié)構(gòu)功能的合理性。關(guān)于結(jié)構(gòu)布置中對(duì)規(guī)則性的要求，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 149-2006)提出：異形柱結(jié)構(gòu)宜采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，抗震設(shè)計(jì)的異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。比現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB

6、50011對(duì)一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定更為嚴(yán)格，這是根據(jù)異形柱結(jié)構(gòu)抗震性能和抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)而提出的。 異形柱結(jié)構(gòu)并不要求全部柱截面均為非矩形截面。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的平面布置和受力特點(diǎn)，結(jié)合具體的建筑平面布置L形、T形、和十字形等異形柱，以充分發(fā)揮異形柱在建筑使用上和結(jié)構(gòu)受力上的優(yōu)點(diǎn)，從而得到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)布置在平面和沿結(jié)構(gòu)高度上剛度和質(zhì)量要均勻布置，以減小結(jié)構(gòu)在地震過程中的扭轉(zhuǎn)影響和防止出現(xiàn)薄弱層。另外，L形、T形和Z形截面異形柱的截面配筋具有非常明顯的不對(duì)稱性，試驗(yàn)表明就單個(gè)異形柱構(gòu)件而言，其延性有較大缺陷。但是，試驗(yàn)和理論分析表明由對(duì)稱布置的異形柱所組成的框架，由于相互對(duì)

7、稱的異形柱的優(yōu)缺點(diǎn)能相互補(bǔ)充，具有較好結(jié)構(gòu)延性，所以結(jié)構(gòu)的平面布置上組成框架的異形柱應(yīng)盡可能對(duì)稱。異形柱的肢厚較薄，其中心線宜與梁中心線對(duì)齊，盡量避免由于二者中心線偏移對(duì)受力帶來的不利影響，平面節(jié)點(diǎn)處(軸線交叉點(diǎn)處)應(yīng)盡可能設(shè)柱，避免主次梁搭接：在多層住宅中，異形柱宜布置在房間中影響使用的墻角處，其他部位從受力合理和施工方便考慮宜布置成矩形柱。 22混凝土異形柱框架的結(jié)構(gòu)計(jì)算 無論是非抗震設(shè)計(jì)還是抗震設(shè)計(jì)，在豎向荷載、風(fēng)荷載、多遇地震作用下混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析，按我國現(xiàn)行規(guī)范體系，均采用彈性方法計(jì)算，但在截面設(shè)計(jì)時(shí)則考慮材料的彈塑性性質(zhì)。在豎向荷載作用下框架梁及連梁等構(gòu)件可以考慮梁

8、端部塑性變形引起的內(nèi)力重分布。異形柱的柱肢截面的肢高肢厚比限制在不大于4的范圍，與矩形柱相比，其柱肢一般相對(duì)較薄，研究表明：這樣尺度比例的異形柱，其內(nèi)力和變形性能具有一般桿件的特征，并不滿足劃分為薄壁桿件的基本條件。故在計(jì)算分析中，異形柱應(yīng)按桿系模型分析。按空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，柱與梁均考慮彎曲、剪切、及扭轉(zhuǎn)變形，二者的差異是，柱還應(yīng)考慮軸向變形：而梁一般不考慮軸向變形，僅當(dāng)有必要考慮樓板平面內(nèi)變形時(shí)才考慮軸向變形。 框架結(jié)構(gòu)中的非承重填充墻屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但框架結(jié)構(gòu)中非承重填充墻體的存在，會(huì)增大結(jié)構(gòu)整體剛度，減小結(jié)構(gòu)自振周期，從而產(chǎn)生增大結(jié)構(gòu)地震作用的影響。為反映這種影響，可采用折減系數(shù)&

9、#162;給對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算自振周期進(jìn)行折減(具體數(shù)值采用詳見混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 1492006)。3、混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施 (1)采用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，可降低軸壓比，對(duì)異形栩的延性也有好處。 (2)異形柱結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是截面和配筋不對(duì)稱，導(dǎo)朔異形柱在兩個(gè)方向強(qiáng)度和延性不對(duì)稱。為了盡量降低這種影響，腹板端部配筋應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡可能多，而采用級(jí)鋼筋能起到類似的作用。采用HRB400和RRB400鋼筋在同樣的外力作用下，鋼筋用量較少，方便施工，更好的保證混凝土澆質(zhì)量。 (3)在實(shí)際工程中，異形柱的寬厚比一般均大于2.5：當(dāng)異形柱截面肢厚小于200mm時(shí)，將會(huì)造成粘結(jié)強(qiáng)度不足及梁柱節(jié)

10、點(diǎn)的鋼筋設(shè)置困難，基于施工和外墻保溫隔熱等要求，故限制異形柱肢厚也不應(yīng)小于200mm。同時(shí)考慮到穩(wěn)定性等問題，柱肢厚度不宣小于樓層高度的120；對(duì)于二級(jí)抗震設(shè)計(jì)要求的底層異形柱，由于其計(jì)算長度較大，為了保證足夠的側(cè)向剛度和穩(wěn)定性，故柱肢的厚度不應(yīng)小于樓層高度的116。 (4)異形柱柱端箍筋加密區(qū)的箍筋應(yīng)根據(jù)受剪承載力計(jì)算，同時(shí)滿足體積配箍率條件和構(gòu)造要求確定。對(duì)箍筋合理配置的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體積配箍率p相同時(shí)，采用較小的箍筋直徑反和箍筋間距s的延性好；只增大箍筋直徑來提高體積配筋率而不減小箍筋間距并不一定能提高異形柱的延性，只有在箍筋間距s對(duì)受壓縱筋支撐長度達(dá)到一定要求時(shí)，增大體積配箍率p，才能達(dá)到提高延性的目的。 (5)考慮異形柱的柱肢截面厚度較小，若中間柱兩側(cè)梁高度相等時(shí)，梁的下部鋼筋均在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)滿足L條件后切斷的做法會(huì)使節(jié)點(diǎn)