異形柱框架結構優化設計

李 航 戴素娟 彭 偉

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

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異形柱框架結構優化設計

李 航 戴素娟 彭 偉

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

通過對相關規范進行分析，提出了異形柱框架結構優化設計的內容及異形柱正截面承載力的簡化計算方法，便于工程設計應用，為異形柱框架結構的構造設計提供了理論依據，解決了各地規范取值不統一的問題。

異形柱，框架結構，結構設計優化，正截面承載力

隨著人們對建筑結構審美意識的逐漸增強，傳統矩形柱框架結構已難以滿足人們對室內裝飾和家居布置的要求。異形柱框架結構展現出優于普通框架結構的建筑性能，增大并合理地利用了房間的有效使用面積，節省混凝土用量。然而，異形柱框架結構還存在著許多缺陷，一些國家相關的規范和標準還不完善。因此，本文通過對比各地相關規范及有關資料，對異形柱框架結構的構造設計及異形柱正截面承載力的計算作了相關優化，對指導工程實踐具有重要的意義。

1 異形柱框架結構優化設計

異形柱框架結構設計優化主要包括確定梁柱截面尺寸、確定異形柱的軸壓比和配筋值以及對異形柱正截面承載力的設計進行簡化。異形柱框架結構設計應在剛度等效原則和面積及慣性矩等量的原則下進行，這樣才能得到更為準確的結構內力與變形以及結構的配筋。對于異形柱結構的配筋，一般可以采用直接計算法、等代矩形計算法、先配筋再復核法，但不能按普通柱或剪力墻的配筋公式。

1.1 確定梁柱截面尺寸

抗震設計與非抗震設計下結構的梁高分別不應小于400 mm和350 mm。這是為了避免因梁高過小而使柱縱向鋼筋在節點核心區內錨固失效。而異形柱截面的肢厚宜取200 mm～300 mm，肢長取600 mm～800 mm。異形柱截面各肢的肢高與肢厚的比值宜取2.5～4，若柱肢高厚比大于4，則肢高最小取500 mm。

1.2 確定異形柱軸壓比和配筋值

軸壓比是影響混凝土柱延性的重要指標，而柱子的延性又對結構抗震起著十分重要的作用。因此在進行結構設計時要十分重視對異形框架柱的軸壓比的控制。表1為剪跨比大于2且箍筋約束較強時不同截面形狀的異形柱的軸壓比。

表1 不同截面形狀異形柱的軸壓比

在進行異形柱配筋時，筆者認為，應遵循下列要求：1)同一截面內盡可能使縱向受力鋼筋的直徑相同，鋼筋直徑宜取14 mm～25 mm；2)異形柱的內折角位置須設縱向受力鋼筋；3)縱向鋼筋間距：二、三級抗震下的間距最大值為200 mm；四級不宜大于250 mm；非抗震設計不宜大于300 mm。若不符合以上要求，則應配置拉筋以及直徑大于12 mm的縱向構造鋼筋；4)考慮異形框架柱全部縱向受力鋼筋總配筋時的最小配筋率要求如表2所示。

1.3 雙偏心受壓異形柱正截面承載力簡化設計

表2 全部縱向受力鋼筋最小總配筋率 %

建立如圖1所示坐標系，將異形柱截面置于第一象限。A—A為中和軸，R為坐標原點至中和軸的距離，θ為中和軸的法線與X軸的夾角，x,y分別為截面兩個方向的形心軸。

截面中和軸方程：

(1)

任意一點的應變方程：

(2)

其中,c為混凝土原點的應變，當受壓時c為正值。

首先假設R和θ的值，將R和θ代入式(2)求出異形柱中任意一點的應變，然后由鋼筋和混凝土的σ—ε關系，求得鋼筋和混凝土的應力σsj和σcj，最后由式(3)～式(5)求出截面的內力。

(3)

(4)

(5)

其中,Mx，My分別為對x，y兩個方向截面形心軸的彎矩；N為軸向力；nc，ns分別為混凝土及鋼筋單元總數；Aci，Asj分別為第i個混凝土單元和第j個鋼筋單元的面積；σci，σsj分別為第i個混凝土單元和第j個鋼筋單元的應力；X0，Y0均為截面形心坐標；Xci，Yci均為第i個混凝土單元在X-Y坐標系下的形心坐標；Xsj，Ysj均為第j個鋼筋單元在X-Y坐標系下的形心坐標。

將求出的截面內力N，Mx，My與設計值比較，若滿足要求，則不再進行計算。若不滿足要求，則調整R，θ以及鋼筋的直徑。

2 工程實例分析

表3 異形柱肢長和肢厚的規范取值與實際取值對比 mm

本工程為6層異形柱框架結構住宅樓，建筑總高18.3 m，寬11.5 m，首層結構 層高為3.9 m，2層～6層為2.9 m，該住宅樓建于Ⅱ類場地上，7度抗震設防， 抗震等級為三級，基本風壓及雪壓分別為0.35 kN/m2和0.6 kN/m2。

柱網尺寸小于5 m，除必要位置外，均設置成矩形柱。因結構一、二層柱的軸力較大，因此采用C30混凝土，其余各層采用C25混凝土。異形柱肢長與肢厚的規范取值與實際取值對比見表3。通過SATWE計算得到該異形柱框架結構的最大軸壓比為0.6，最大層間位移角為1/1 239，均滿足要求。

3 結語

異形柱結構越來越廣泛地應用于民用建筑中，但異形柱結構在受力上存在一些缺陷，國家相關的規范或標準也不完善。我們應注重對結構方案的設計，整體布置和結構構件的布置應力求合理，根據實際情況選擇結構計算模型并合理選取參數進行結構計算。對計算結果應進行全面系統的分析，力求從整體上判斷所設計結構的合理性。

[1]JGJ 149—2006,混凝土異形柱結構技術規程.

[2]周 艷.異型柱框架結構設計淺析.工程建設與設計，2006(1):29-30.

[3]葉 倩.異型柱結構設計探討.工程設計，2006，20(2):134-136.

Structural optimization design of frame structure with special-shaped column

Li Hang Dai Sujuan Peng Wei

(CollegeofCivilEngineeringandBuilding,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

Through analyzing relevant norms, the paper puts forward simplified calculation method of cross-section bearing capacity with special-shaped column and its optimization design contents, so as to be some help for engineering design, which has provided theoretical basis for special-shaped column frame structure and achieved unified value in all regions.

special-shaped column, frame structure, structural design optimization, cross-section bearing capacity

1009-6825(2015)18-0034-02

2015-04-16

李 航(1989- ),男，在讀碩士； 戴素娟(1963- ),女，教授； 彭 偉(1988- ),男，在讀碩士

TU318

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