异形柱框架结构设计探讨

异形柱框架结构设计探讨

李人杰王顺梁魁

李人杰

广西城市设计有限公司南宁分公司530000

王顺

广西工联工业工程咨询设计有限公司530003

梁魁

中国轻工业南宁设计工程有限公司530001

摘要：混凝土异形柱中的异形柱是以T形、L形、十形的异形截面的柱子(简称异形柱)代替一般框架柱子作为竖向支撑构件而构成的结构,避免室内出现凹凸现象,少占建筑空间,改善建筑功能,为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。本文就异形柱框架结构设计方面的内容进行探讨。

关键词：异形柱；框架；结构设计

DiscussiononDesignofspecial-shapedcolumnframestructure

LiRenjie

Guangxicitydesignlimitedcompany530000branchofNanning

WangShun

GuangxiFederationoftradeunionsIndustrialDesignEngineeringConsultingCompanyLimited530003

Beam.

ChinaLightIndustryNanningDesignEngineeringLimitedcompany530001

Abstract:reinforcedconcretespecial-shapedcolumnsofthespecial-shapedcolumnisTshape,Ltype,tentypespecial-shapedsectioncolumns(referredtoasthespecial-shapedcolumn)insteadofcolumnsastheverticalsupportmemberandstructure,avoidindoorbumpphenomenonoccurs,occupieslessspace,improvethebuildingfunction,buildingforthedesignanduseoffunctiontheflexibilityandconvenience.Inthispaper,thespecial-shapedcolumnframestructuredesignaspectsarediscussed.

Keywords:special-shapedcolumn;frame;structuraldesign

1前言

混凝土异形柱结构是以T形、L形、十字形的异形截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构。近年来异形柱结构在建筑业界尤其是在住宅设计中得到了广泛应用,为了满足混凝土异形柱结构设计与施工的需要,我国于2006年3月9日发布了JGJ149-2006混凝土异形柱结构设计规程(以下简称《规程》),并于2006年8月1日起开始实施。

2异形柱在结构设计中的规定

当没有实施国家《规程》之前的规范中,并没有把异形柱列入其内,说明国家对异形柱设计是非常慎重的,能够借鉴的也只有两个地方规程,同时仍应依据我国现行标准中的规定,进行截面、构造、抗震等设计。

2.1结构布置

异形柱框架结构平面布置的一般原则:在异形柱结构的一个独立结构单元内,宜使结构平面形状和刚度均匀对称,明显不对称的结构应考虑扭转对结构受力的不利影响,异形柱框架应双向设置,并宜纵向交联。竖向布置的一般原则:异形柱结构的竖向体型应力求规则、均匀,避免有过大的外挑、内收以及楼层刚度沿竖向的突变。

2.2适用高度及高宽比、长细比、肢长等限制

(1)异形柱框架在6度抗震设防区,地震加速度为0.05g，要求房屋高度不大于24m,高宽比不宜超过4；在7度抗震设防区,当地震加速度为0.10g时，要求房屋高度不大于21m,高宽比不宜超过3.5，当地震加速度为0.15g时，要求房屋高度不大于18m,高宽比不宜超过3.0，；在8度区房屋高度不大于12m,高宽比不宜超过2.5。

(2)柱净高与截面长边之比即长细比不宜小于4且不大于8。根据砼结构规范,长细比小于4即短柱,短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏,设计中应尽量避免出现短柱。长细比大于8,易引起附加偏心矩,对轴压构件及小偏心受压构件承载力影响较大。

(3)根据长细比不宜小于4,在梁高为600mm的前提下,当标准层层高为3.0m时,异形柱的最大肢长可为600mm；底层层高为4.2m时,肢长可为900mm。因此,异形柱的柱肢不应过长,各肢肢高与肢厚比不应大于4,且异形柱截面肢厚不应小于200mm。

2.3抗震等级

异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构造措施要求。根据天津《规程》规定:抗震设防烈度为7度,房屋高度<22m时,为三级抗震,高度≥22m时,为二级抗震;抗震设防烈度为8度,房屋高度≤25m时,为二级抗震。广东《规程》规定异形柱框架结构只适用于抗震设防烈度为7度及7度以下的地区且房屋高度不超过35m。国家《规程》规定：抗震设防烈度为6度,房屋高度≤21m时,为四级抗震,高度＞21m时,为三级抗震;抗震设防烈度为7度,地震加速度为0.1g时，房屋高度≤21m时,为三级抗震，高度＞21m时,为二级抗震，地震加速度为0.15g时，房屋高度≤18m时,为三级抗震，高度＞18m时,为二级抗震；抗震设防烈度为8度,房屋高度≤12m时,为二级抗震。显然国家规范控制较为严格。

异形柱框架结构对房屋高度控制是比较严格的,一般仅适用于多层住宅。但由于它在结构布置上灵活、方便,室内不出现柱楞、不露梁等优点,使之成为近几年住宅设计的一种潮流,不论别墅、多层甚至小高层,作为房产开发商几乎都要求设计院设计成钢筋砼异形柱结构体系。因此设计人员必须慎重对待,不可麻木跟风,应严格控制各项设计参数。

3异形柱框架的设计

3.1结构合理布置及受力分析

采用异形柱设计方法的主要目的是合理地解决小面积居室的使用问题。因此,从建筑设计的角度来考虑,异形柱应根据墙的走向重点布置在居室中影响房间使用的墙角部位。对异形柱框架结构设计,除了应遵守一般混凝土框架结构设计的要求外,必须了解异形柱自身的特殊性和受力性能。异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2～4之间,相对于正方形柱与矩形柱而言是异形的柱子,常用的有“L”形、“T”形和“十”字形。在平面图上,框架梁的中心轴线要和柱肢中心线相重合。根据薄壁杆件的弯曲和扭转理论,当外荷通过截面的剪力中心作用时,构件只产生弯曲而不产生扭转作用。所以剪力中心也称为弯曲中心。通过对常用的“L、T、十”字形3种截面形式分析可知,这些截面中的两肢中心线的交点即为剪力中心。所以框架梁沿着柱肢方向布置,框架梁的中心轴线和柱肢中心线相重合,柱子就没有扭转作用的问题,仍可按偏心受压柱进行截面计算。从建筑平面来看,有的部位选择“乙”形的截面更合适,更有利于使用。但是,从“乙”形截面分析,它的剪力中心与形心虽然重合,实际上不可能所有的框架梁的布置通过它的形心,往往在两翼也一定会是梁的走向,这样不可避免地产生对柱的翘曲应力。为了克服翘曲应力的影响,会导致梁的截面弯矩系数增大,所以设计尽量不要选择这种截面。在不得不使用“乙”形截面时,应把按框架分析所得的截面弯距乘以相应的增大系数,以考虑翘曲应力的影响。

由于异形截面的这种特殊性,使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大,导致各向刚度不一致,其各向承载能力也有较大的差异。

对于长柱,可以不考虑剪切变形的影响,控制轴压比较小时,受力明确,变形能力较好。而对短柱,剪切变形占有相当比例,构件变形能力下降。有的异形柱在短柱范围,并且属于薄壁构件,即使发生延性的弯曲形破坏,也因截面曲率较小,使弯曲变形性能受到限制,导致延性较差。异形柱不同于矩形柱,它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况,其延性更差。异形柱的破坏形态为:弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等。影响其破坏形态的因素有:荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比(剪跨比)、配筋率以及箍筋间距与纵筋直径的比值等。由于受力性能的复杂性,设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。在进行内力计算和配筋计算时,应选用带有异形柱计算功能的计算软件。过去,有些软件没有异形柱截面形式,果要用它来计算,要先把异形柱换算成等刚度等面积的矩形柱,进行整体分析,得到双向内力后再进行异形柱截面设计。其工作量相当大,而且截面设计的可靠性不高。近年来,国内已有可以直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件,运用这些程序计算出来的配筋结果准确性较高,可以有效地满足结构安全性要求。

3.2严格控制轴压比

众所周知,在混凝土抗震设计中,耗散地震的能量以防止框架倒塌,框架结构中柱的延性起着十分重要的作用,轴压比则是影响混凝土柱延性的一个关键指标。在高轴压比的情况下,增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小,因而轴压比大小的控制对延性影响至关重要,特别当异形柱结构剪力中心与截面形心不重合时,剪应力使混凝土柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝,产生腹剪破坏,加上异形柱属短柱时,这些导致异形柱脆性明显,使异形柱的延性普遍低于矩形柱,因而对异形柱的轴压比要严格控制。

4结束语

随着我国住宅产业化、现代化的不断深入,异形柱框架结构必将不断发展,一定会有越来越广泛的应用。当然,异形柱框架结构的弱点不容忽视,但其优点也很明显。只有在设计中遵循概念设计要求,充分了解异形柱的受力特点和其破坏机理,选用合理的结构布置,处理好结构构造,正确使用计算机分析方法,才能确保结构安全可靠、经济适用。