混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

路建民，王前林

鄭州市第一建筑工程集團(tuán)有限公司（450000）

混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于住宅建筑中。與傳統(tǒng)的矩形柱框架結(jié)構(gòu)相比,異形柱框架結(jié)構(gòu)能更好的滿足建筑使用及美觀的要求。

異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，試驗(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)中混合使用等肢與不等肢異形柱時(shí)，則其差異更為錯(cuò)綜復(fù)雜，這是異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算中不容忽視的問(wèn)題。

異形柱多為兩肢、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。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，其單元應(yīng)力呈三維剪壓狀態(tài)，使異形柱較普通框架柱變形能力低，脆性破壞明顯。

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λ、配筋率及構(gòu)造處理。異形柱作為壓剪構(gòu)件，由于其肢長(zhǎng)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(shuō)明異形柱是介于兩者之間的一種“過(guò)渡性”構(gòu)件。試驗(yàn)和分析表明異形柱作為壓剪構(gòu)件，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(zhǎng)之比(即剪跨比)、縱筋配筋率等。通過(guò)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。

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)二、三、四等級(jí)的抗震設(shè)計(jì),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。設(shè)計(jì)中，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，以提高或改善梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能。對(duì)縱橫向框架共同交匯的節(jié)點(diǎn),可按各自方向分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算。

1 混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的差異對(duì)相同地震烈度和結(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;異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值、彈塑性層間位移角限值更加嚴(yán)格。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(jí)；異形柱結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的確定方法更加嚴(yán)格,在房屋高度的取值上降低了數(shù)值。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。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)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。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（0.15 g）及8度（0.20 g）時(shí)還應(yīng)對(duì)主軸方向進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

1）異形柱結(jié)構(gòu)的計(jì)算

異形柱結(jié)構(gòu)的分析模型應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況，異形柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移分析應(yīng)采用空間分析模型,可選擇空間桿系模型、空間桿-薄壁桿系模型、空間桿-墻板元模型或其他組合有限元等分析模型。常用軟件有PKPM-TAT、PKPMSATWE、廣廈結(jié)構(gòu)CAD等可用于計(jì)算分析異形柱結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中可按平面內(nèi)無(wú)限剛性假定計(jì)算內(nèi)力和位移,并應(yīng)在設(shè)計(jì)中采取構(gòu)造措施保證樓板平面內(nèi)的整體剛度。對(duì)樓板開(kāi)洞的不規(guī)則結(jié)構(gòu),計(jì)算時(shí)宜考慮樓板平面內(nèi)的剛度和變形。異形柱結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮非承載墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響,可采用自振周期折減的方法來(lái)計(jì)算，框架結(jié)構(gòu)一般取0.6～0.75，具體根據(jù)填充墻的多少確定。鑒于異形柱結(jié)構(gòu)存在45°不利的受力方向，建議結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用的同時(shí)，考慮對(duì)主軸成45°方向進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。規(guī)范要求在 7度（0.15 g）及 8度(0.20 g)時(shí)補(bǔ)充 45°角計(jì)算。

無(wú)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(guó)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)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(jiàn) 《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 149—2006)。

2）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)在非抗震設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)中均有重要意義,結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻，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。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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 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),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(guò)程中的扭轉(zhuǎn)影響和防止出現(xiàn)薄弱層。L形、T形和Z形截面異形柱的截面配筋具有明顯的不對(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)稱布置的異形柱組成的框架，由于對(duì)稱的異形柱的優(yōu)缺點(diǎn)能相互補(bǔ)充，具有較好的結(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(lái)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。

3）構(gòu)件的選型

異形柱結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，在異形柱的布置選型上，首先要根據(jù)建筑平面情況同時(shí)要考慮不同異形柱受力特點(diǎn)。根據(jù)天津大學(xué)土木系對(duì)異形柱延性試驗(yàn)資料可知,影響異形柱延性的因素比普通柱復(fù)雜，且不同的柱截面形式，如“+”、“T”、“L”、“Z”,在相同的水平位移下，其延性性能也有較大的差異。建議盡量多采用“+”、“T”、“L”形柱,不建議采用“Z”形柱，“Z”形柱截面受力存在嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在柱肢長(zhǎng)的選擇上，以兩個(gè)受力軸方向的剛度相同為宜。同時(shí)為了滿足節(jié)點(diǎn)域受力要求和控制異形框架的整體抗震性能，框架梁的截面高度不宜小于400mm。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展,混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)一定會(huì)有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,只有在設(shè)計(jì)中充分了解異形柱的受力特點(diǎn)和其破壞機(jī)理，選用合理的結(jié)構(gòu)布置，正確使用計(jì)算分析方法，其結(jié)構(gòu)才會(huì)安全可靠。