淺析異形柱框架結構設計中應該注意的問題

孫超 姚堯

目前,隨著社會的發展和科技的進步,人們對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。對于現代住宅,建筑要求大開間,房間布置方便靈活,室內盡量不露現梁、柱。對于這樣的現代住宅建筑設計布局要求,異形柱能代替矩形柱,較好地滿足建筑設計布局要求。因此,在結構設計中,異形柱框架結構得到了廣泛的應用。同時,汶川大地震也證明,經過合理的抗震設計,異形柱框架結構也具有良好的抗震性能。

1 異形柱的定義及受力特點分析

1.1 異形柱的定義

截面幾何形狀為L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。所謂異形柱框架結構是由異形柱形成框架,和輕質填充墻組成的結構。根據建筑布置及結構受力的需要,在異形柱結構中,框架柱可全部采用異形柱,也可部分采用一般框架柱。

1.2 異形柱的受力特點分析

1)在房間的分隔墻交點處可以靈活布置異形柱,這樣平面剛度均勻疏散,但是經常會出現梁縱橫不貫通,這樣的結構較難轉化為平面結構進行計算。

2)異形柱框架結構的立面剛度分布比較均勻,在彈性階段,異形柱與輕質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,截面不對稱,柱肢較薄且狹長,在水平力作用下產生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視,雙向壓彎效應較明顯。

4)僅有一根對稱軸或無對稱軸的異形柱截面,對荷載的方向較敏感,抗扭剛度比較差。因此,異形柱框架結構也具有荷載方向敏感性,尤其是在不對稱或偏心時,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,應力集中嚴重。

6)異形柱結構的梁高寬比較大,柱肢較長,因此,梁柱重疊部分較大,在梁端范圍內形成剛域;節點區較大而薄,因此,在彈塑性階段應考慮節點變形對結構變形的影響。

2 異形柱框架結構在設計時應該注意的問題

2.1 計算工具的選擇

根據上述異形柱的受力特點分析,對異形柱框架結構應按空間體系考慮,宜優先采用具有異形柱單元的計算程序進行內力與位移分析。由于異形柱的受力情況不同于剪力墻,因此,在計算時不應將異形柱按剪力墻建模計算,應按“柱”構件輸入其截面尺寸。對異形柱結構采用三維整體分析的方法,目前能用于這種結構抗震分析的常用軟件有建科院的TAT,SATWE,PMSAP等。

2.2 設計時應注意的問題

1)由于異形柱的柱肢較長,梁柱重疊部分較大,因此在電算時需點取“梁柱重疊部分作為剛域”選項進行計算;建議采用雙向偏心受壓、雙向偏心受拉、正截面承載力計算。2)在一般的矩形柱的多層框架結構中側移多不起控制作用,而對于異形柱框架結構,由于側向剛度較小,有時側移會超過規范允許值。3)因為異形柱荷載方向角具有任意性,所以在異形柱內折角處應設置同樣直徑的受力筋。4)抗震設計時,扭轉不規則的異形柱結構,樓層豎向構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大于1.45,而矩形框架的該比值為1.5。5)非抗震設計和抗震設計的異形柱結構均應對梁柱節點進行受剪承載力計算,而矩形框架柱結構只有抗震等級為一、二級框架,才要求必須進行梁柱節點受剪承載力驗算。6)異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長比(即柱凈高與截面肢長之比)是影響異形柱破壞形態及延性的兩個重要因素。作為異形柱延性的保證措施,必須嚴格控制軸壓比,同時避免高長比小于4(短柱)。只有保證柱具有足夠大的截面尺寸,才能防止出現小偏壓破壞,提高柱的變形能力,滿足抗震要求。對于高長比小于4的異形柱,箍筋應沿柱全高加密,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。但是按肢長與肢寬之比定義異形柱或短肢墻很大程度是為了學術上的便利。用TAT程序進行結構整體計算時,按異形柱模式可能導致結構剛度下降,應適當增加抗地震力;當按短肢剪力墻模式計算可使梁配筋偏小,應適當調整配筋。

綜上所述,在結構設計中應充分了解異形柱的受力特點和破壞機理,結構布置合理,正確使用計算機分析,這樣才能更好的把握設計要點,保證異形柱框架結構的安全適用性。

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