異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

摘 要：對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一般問題進(jìn)行探討，提出建議，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：異形柱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異形柱結(jié)構(gòu)是我國(guó)自主創(chuàng)新的一種結(jié)構(gòu)體系，發(fā)展這種結(jié)構(gòu)體系的基本思想就是：以墻體改革促進(jìn)建筑功能的改進(jìn)及建筑結(jié)構(gòu)體系的變革。具體來說就是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)對(duì)建筑功能及建筑布置的要求，在結(jié)構(gòu)不同部位采取不同形狀截面的異形柱，異形柱的柱肢厚度及梁寬度與框架填充墻協(xié)調(diào)一致，避免矩形截面框架柱在屋角凸出而影響建筑觀瞻及使用功能。同時(shí)進(jìn)行墻體改革，采用保溫、隔熱、輕質(zhì)、高效的墻體材料作框架填充墻及內(nèi)隔墻，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燒結(jié)粘土磚。自從粘土磚被禁用一來，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)成為備受關(guān)注的住宅建筑結(jié)構(gòu)體系之一。

異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢厚度的比值在2-4（通常不宜小于2.5），相對(duì)于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架-剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

①由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；

②對(duì)于長(zhǎng)柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)短柱（H/h<4），剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；

③異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；

④特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長(zhǎng)比（剪跨比），配箍率等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來保證其強(qiáng)度和延性。

在進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個(gè)方面的問題：

（1）異形框架的計(jì)算

由于其截面的特殊性，在柱截面對(duì)稱軸內(nèi)受水平力作用時(shí)，彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件。目前，國(guó)內(nèi)可直接進(jìn)行異形柱截面內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)的軟件有建研院的TAT、SATWE程序，廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學(xué)的鋼筋砼異形柱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算程序CRSC。這些程序均用數(shù)值積分法進(jìn)行正截面配筋設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

（2）軸壓比控制

對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。

在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對(duì)提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對(duì)柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對(duì)異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149-2006）中，其軸壓比按砼設(shè)計(jì)規(guī)范中的要求減少0.10以上，但其適用高度較低，框架結(jié)構(gòu)不超過24米，框架剪力墻結(jié)構(gòu)不超過45米。當(dāng)高層建筑的高度進(jìn)一步加大時(shí)，其水平力的影響會(huì)愈來愈顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求也愈高。由天津大學(xué)土木系對(duì)異形柱延性資料可知，影響異形柱延性的因素比普通柱要復(fù)雜，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平側(cè)移下，其延性性能也有較大差異。

（3）計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

因異形柱在荷載有些作用方向角區(qū)域受壓彎的穩(wěn)定性能差和荷載的二階效應(yīng)較明顯，所以其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)一定要選擇《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）中第7.3.11-3的方法計(jì)算。另外異形柱的荷載偏心距增大系數(shù)與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于矩形柱的規(guī)定不同，并且，《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的偏心距增大系數(shù)計(jì)算公式對(duì)異形柱的長(zhǎng)細(xì)比適用范圍也不同。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)矩形柱長(zhǎng)細(xì)比的適用范圍是l0/h<30（2010版規(guī)范取消此說法），而《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)異形柱的長(zhǎng)細(xì)比適用范圍是l0/rA<70。這里l0是柱計(jì)算長(zhǎng)度、h是柱截面高度、r是柱截面回轉(zhuǎn)半徑、rA是異形柱截面對(duì)垂直于彎矩作用方向形心軸的回轉(zhuǎn)半徑。

（4）配筋構(gòu)造

在正確的結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點(diǎn)，柱肢端部會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對(duì)柱肢形成偏心壓力，進(jìn)一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時(shí)，應(yīng)在肢端設(shè)縱向受力鋼筋，縱向受力鋼筋由計(jì)算而定，同一截面縱向受力鋼筋直徑應(yīng)相同，其鋼筋直徑不應(yīng)大于25mm，且不應(yīng)小于14mm。離端部厚度范圍內(nèi)設(shè)不小于2Ф12的構(gòu)造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強(qiáng)度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復(fù)合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實(shí)現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標(biāo)好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

（5）附加地震作用方向

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.2.4-1條規(guī)定：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（0.15g）及8度（0.20g）時(shí)尚應(yīng)對(duì)與主軸成45度方向進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

（6）雙向地震同時(shí)作用

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.2.4-2條規(guī)定：在計(jì)算單向水平地震作用時(shí)應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)影響；對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，水平地震作用計(jì)算應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。實(shí)際上所有空間的結(jié)構(gòu)都要計(jì)算雙向地震作用，一般建筑要分別計(jì)算相互垂直的兩個(gè)單向水平方向的地震作用，取其地震效應(yīng)的較大值。《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的上述條文所講的雙向水平地震作用是指雙向水平地震同時(shí)作用。異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算宜采用振型分解反應(yīng)譜法，不規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算應(yīng)采用扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)振型分解反應(yīng)譜法。

（7）周期折減系數(shù)

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.6條規(guī)定：計(jì)算各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期，應(yīng)考慮非承重填充墻體貴結(jié)構(gòu)整體剛度的影響予以折減。異形柱框架結(jié)構(gòu)可取0.60-0.75，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可取0.70-0.85.注意，這個(gè)取值范圍是針對(duì)實(shí)心粘土磚的填充墻，當(dāng)是非實(shí)心粘土磚的填充墻時(shí)，折減可少一些，也就是折減系數(shù)可以比這些值大些。因現(xiàn)在填充墻材料類型眾多、剛度性能差別較大，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)情況選擇適宜的系數(shù)。

（8）薄弱層

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.2.5-2條規(guī)定：樓層承載力突變時(shí)，其薄弱層地震剪力應(yīng)乘以1.20的增大系數(shù)；樓層受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層樓層的65%。

總之，異形柱結(jié)構(gòu)將建筑美觀、使用功能的靈活性與建筑結(jié)構(gòu)合理的受力性能有機(jī)地結(jié)合起來，為用戶提供了理想的居住環(huán)境，有著較大的市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力的特點(diǎn)，充分了解其破壞的各種機(jī)理，選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面配筋，其結(jié)構(gòu)才能有可靠的安全保證。

參考文獻(xiàn)

1、混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 （JGJ 149-2006）中國(guó)建筑工業(yè)出版社

2、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB 50010-2010）中國(guó)建筑工業(yè)出版社

3、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB 50011-2010）中國(guó)建筑工業(yè)出版社

第一作者：張宇飛（1980 .11.7），男，遼寧阜新人；大學(xué)本科，2004年7月畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，建筑工程專業(yè)；工程師。