淺析異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題

孫超 姚堯

目前,隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,人們對(duì)于住房的要求不再僅限于居住,而有著更高的要求,例如舒適、美觀。對(duì)于現(xiàn)代住宅,建筑要求大開間,房間布置方便靈活,室內(nèi)盡量不露現(xiàn)梁、柱。對(duì)于這樣的現(xiàn)代住宅建筑設(shè)計(jì)布局要求,異形柱能代替矩形柱,較好地滿足建筑設(shè)計(jì)布局要求。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,異形柱框架結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),汶川大地震也證明,經(jīng)過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì),異形柱框架結(jié)構(gòu)也具有良好的抗震性能。

1 異形柱的定義及受力特點(diǎn)分析

1.1 異形柱的定義

截面幾何形狀為L(zhǎng)形、T形和十字形,且截面各肢的肢高與肢厚之比(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。所謂異形柱框架結(jié)構(gòu)是由異形柱形成框架,和輕質(zhì)填充墻組成的結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑布置及結(jié)構(gòu)受力的需要,在異形柱結(jié)構(gòu)中,框架柱可全部采用異形柱,也可部分采用一般框架柱。

1.2 異形柱的受力特點(diǎn)分析

1)在房間的分隔墻交點(diǎn)處可以靈活布置異形柱,這樣平面剛度均勻疏散,但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)梁縱橫不貫通,這樣的結(jié)構(gòu)較難轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

2)異形柱框架結(jié)構(gòu)的立面剛度分布比較均勻,在彈性階段,異形柱與輕質(zhì)填充墻能夠很好的共同工作。

3)異形柱采用的截面形式多為T形、L形和十字形等,截面不對(duì)稱,柱肢較薄且狹長(zhǎng),在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來(lái)的影響不容忽視,雙向壓彎效應(yīng)較明顯。

4)僅有一根對(duì)稱軸或無(wú)對(duì)稱軸的異形柱截面,對(duì)荷載的方向較敏感,抗扭剛度比較差。因此,異形柱框架結(jié)構(gòu)也具有荷載方向敏感性,尤其是在不對(duì)稱或偏心時(shí),其抗扭能力明顯降低。

5)異形柱截面的薄弱部位在其柱肢角部,特別是在梁底和柱肢交界斷面的柱肢角部,應(yīng)力集中嚴(yán)重。

6)異形柱結(jié)構(gòu)的梁高寬比較大,柱肢較長(zhǎng),因此,梁柱重疊部分較大,在梁端范圍內(nèi)形成剛域;節(jié)點(diǎn)區(qū)較大而薄,因此,在彈塑性階段應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)變形對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。

2 異形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題

2.1 計(jì)算工具的選擇

根據(jù)上述異形柱的受力特點(diǎn)分析,對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間體系考慮,宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計(jì)算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。由于異形柱的受力情況不同于剪力墻,因此,在計(jì)算時(shí)不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模計(jì)算,應(yīng)按“柱”構(gòu)件輸入其截面尺寸。對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)采用三維整體分析的方法,目前能用于這種結(jié)構(gòu)抗震分析的常用軟件有建科院的TAT,SATWE,PMSAP等。

2.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1)由于異形柱的柱肢較長(zhǎng),梁柱重疊部分較大,因此在電算時(shí)需點(diǎn)取“梁柱重疊部分作為剛域”選項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算;建議采用雙向偏心受壓、雙向偏心受拉、正截面承載力計(jì)算。2)在一般的矩形柱的多層框架結(jié)構(gòu)中側(cè)移多不起控制作用,而對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu),由于側(cè)向剛度較小,有時(shí)側(cè)移會(huì)超過(guò)規(guī)范允許值。3)因?yàn)楫愋沃奢d方向角具有任意性,所以在異形柱內(nèi)折角處應(yīng)設(shè)置同樣直徑的受力筋。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的平均值的比值不應(yīng)大于1.45,而矩形框架的該比值為1.5。5)非抗震設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)的異形柱結(jié)構(gòu)均應(yīng)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算,而矩形框架柱結(jié)構(gòu)只有抗震等級(jí)為一、二級(jí)框架,才要求必須進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)受剪承載力驗(yàn)算。6)異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比(即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比)是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個(gè)重要因素。作為異形柱延性的保證措施,必須嚴(yán)格控制軸壓比,同時(shí)避免高長(zhǎng)比小于4(短柱)。只有保證柱具有足夠大的截面尺寸,才能防止出現(xiàn)小偏壓破壞,提高柱的變形能力,滿足抗震要求。對(duì)于高長(zhǎng)比小于4的異形柱,箍筋應(yīng)沿柱全高加密,從而減小地震作用下柱剪切脆性破壞,改善異形柱的變形能力。但是按肢長(zhǎng)與肢寬之比定義異形柱或短肢墻很大程度是為了學(xué)術(shù)上的便利。用TAT程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí),按異形柱模式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降,應(yīng)適當(dāng)增加抗地震力;當(dāng)按短肢剪力墻模式計(jì)算可使梁配筋偏小,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整配筋。

綜上所述,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分了解異形柱的受力特點(diǎn)和破壞機(jī)理,結(jié)構(gòu)布置合理,正確使用計(jì)算機(jī)分析,這樣才能更好的把握設(shè)計(jì)要點(diǎn),保證異形柱框架結(jié)構(gòu)的安全適用性。

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