建筑結構設計中的異形柱節點受力特點探討

程鴻超

[摘要]建筑結構設計中異形柱節點受力特點的研究和分析要以實際的實驗結果作為基礎，而準確進行異形柱節點分類是前提，針對性的進行節點受力性能的分析，精準的給出節點抗剪承載力的計算方法，科學的總結影響因素并合理化建議，下面我們就從相關單位的軸壓比、節點核心區配箍率、柱截面高度變化等因素對抗剪承載力的影響做具體分析。

[關鍵詞]異形柱；節點特性；受力分析；抗剪承載力

1、異形柱節點分類的原則

在建筑結構設計中，通常把梁與柱的交匯區定位為節點。節點可以對荷載力進行有效傳導，承接的傳導范圍是所屬的本層和上層荷載和作用（例如地震）傳遞到下層柱中。節點核心區作用力復雜，影響因素較多。只有與節點連接的構件滿足受力要求，才能保證結構安全。

2、異形柱節點受力機理分析及計算公式

2.1異形柱節點受力機理分析

要研究異形柱節點受力的機理，應確定異型節點破壞的集中區域，我們將其稱為“小核心”，研究時要細化精分，科學定位。常規節點存在斜壓桿、桁架和約束機構3種傳力機構，異型節點“小核心”與此相同，不同點在于受梁端正反向加載時受力不對稱，使壓桿、桁架和約束機構的作用大小常規節點有所差異，但作用都是此消彼長.傳力機構承擔的剪力變化影響定量計算為此我們將異型節點的抗剪能力分解為“小核心”混凝土抗剪能力和箍筋抗剪能力兩部分，綜合得出可用于工程設計的異型節點抗剪承載力公式。

2.3試驗研究和計算分析結果

節點核心區抗剪承載力低于同等條件下矩形柱框架節點的抗剪承載力是異形柱框架結構的短板部分，在節點承載力計算公式里要考慮翼緣的有利作用，無論是寬度還是厚度都要規范合理，保證節點組合體的延性需求，還可采取梁（水平）加腋增加節點有效截面面積，提高節點區材料強度，局部采用鋼纖維混凝土作為材料，再有就是梁塑性鉸外移，以上的這些辦法有待深入的研究和改良。

3、異形柱節點抗剪能力的受控因素

3.1軸壓比的影響

軸壓力使節點核心區抗初裂能力提高.柱的受壓區面積增大，斜壓桿的寬度增加.同時參與斜壓桿機構的混凝土面積增大.從而導致梁筋在給節點核心混凝土進行邊緣剪力傳遞時把更多的部分匯入了斜壓桿機構.邊緣剪力的分流降低了對節點核心混凝土開裂的影響，另外.主斜裂縫與水平方向的角度也隨軸壓力的提高而增大。軸壓力也使節點核心區的混凝土受到較強的累積損傷效應，利弊相抵，軸壓力對節點的通裂和極限荷載提高不明顯。

3.2節點核心配箍率的影響

箍筋的質量和配箍率對節點核心區抗剪承載力影響很大，但初裂剪力并不能讓箍筋產生較大的反抗，因為初裂時節點剪力Vi受控于混凝土的抗拉強度，只有形成裂縫之時，箍筋將受到較大的剪力作用，甚至難以支持，此時桁架機構產生作用，箍筋有效地進行節點剪力的抵抗。

3.3柱截面高度變化的影響

截面是力的承受區域，異型中節點核心區域有上下柱截面和左右梁截面，由于截面面積位置不同會對節點核心開裂造成影響。初始期裂縫出現位置在節點“小核心”區域.由此可以導致初裂荷載降低，幅度在30%左右.對通裂荷載影響不大。因此常規節點與異型節點相比，通裂后節點核心對節點剪力的持續增長仍具有很高的承擔能力。

4、異形柱設計的合理化建議

4.1縱向鋼筋和箍筋需合理配比

茌實際設計中，HRB400、HRB335級鋼筋適合用于處于縱向受力狀態的鋼筋；箍筋通常為HRB335、HRB400、HPB235級別的鋼筋。當處于相同受力截面時要求縱向受力鋼筋直徑相同.直徑范圍在14mm到25mm之間。異形柱內折角部位采用縱向受力鋼筋。縱向鋼筋間距設計要求：對于¨、Ⅲ級抗震等級設計要求不大于200mm；對于Ⅳ級設計要求不大于250mm；對于非抗震設計情況下應不大于300mm。要根據實際設計要求具體確定縱向受力鋼筋的間距，如果有不能滿足上述幾種情況的要求時，要設置直徑不應小于1 2mm的縱向構造鋼筋和間距與箍筋相同的拉筋以保證達到設計標準。異形柱設計中不許采用有內折角的箍筋，要采用復合箍筋的形式。對于非抗震設計，異形柱的箍筋直徑設計要求為不小于0.25d（d為縱向受力鋼筋的最大直徑），且不應小于6mm；要求箍筋間距不大于250am，但是要保證不大于柱肢厚度和15d（d為縱向受力鋼筋的最小直徑）；與此同時還要考慮受力鋼筋的配筋率對箍筋直徑的影響，在柱中縱向受力鋼筋總體的配筋率在3%以上時，箍筋直徑設置為不小于8mm，間距設置為不大于200mm，并且要保證不大于10d（d為縱向受力鋼筋的最小直徑）；而此時箍筋肢距確定標準為不大于300mm。

在實際設計時，針對異形柱加密區箍筋的設置要注意以下幾點：

①對于剪跨比不大于2的柱和因設置填充墻等原因所導致柱凈高與柱肢截面高度之比不大于4時，我們在設計過程中，這兩種柱箍筋沒有全長加密。

②在Ⅲ、Ⅳ級抗震設計要求下，對箍筋加密區最大間距有相應的標準規定，其中之一是“應小于等于縱向鋼筋直徑的7倍”。所以我們在設計時，如果出現縱向鋼筋直徑為12mm或者14mm的情況，就要保證箍筋在加密區最大間距不超過84mm和98mm。針對當前的規程，在對“縱向鋼筋”的解讀時有“縱向受力鋼筋”和“縱向構造鋼筋”兩種說法，我們在“箍筋間距與縱筋直徑之比s/d”中說的是“縱向受力鋼筋”。而在現實當中，我們要和當地有關部門進行溝通和審查，詳細說明，以免產生誤區。

4.2對于節點核心區抗剪承載力超限問題的建議

為了規避梁柱節點核心區受剪承載力不足的情況出現，根據《混凝土異形柱結構技術規程》中5.3.5框架梁柱節點核心區組合的剪力設計值的計算公式（5.3.5-1、5.3.5-2、5.3.5-3、5.3.5-4）進行實際的操作，分步完成，大體步驟為：

①根據實際合理的對柱的計算高度進行減小。

②增加處于梁柱節點位置梁的截面有效高度和截面高度。

③對節點左、右兩側梁端彎矩設計值合理的減小。

一般情況下柱布置之時進行柱子的轉角，可以使我們用PKPM等一些設計軟件對結構建模分析的時候，達到操作方便和減小截面類型的目的，要根據原截面定義時的方向檢測超限方向，不能單一的以某個節點不出現超限為主體進行設計，要宏觀控制，根據結構布置、梁柱截面合理的把握結構整體剛度分布，務必保證均勻性。

4.3對軸壓比限值的分析

與矩形柱相比，對單調荷載，尤其是在低周反復荷載作用下，異形柱的粘結破壞嚴重性較高，而且比普通矩形柱延性要差，在天津《規程》里根據剪跨比，結構體系，截面類型、箍筋間距與筋直徑比s/d、箍筋直徑d和抗震等級確定波動區間為0.3-0.7。在實際應用當中，我們應在程序試算后，對各柱的軸壓比按照上述的條件綜合確定其具體限值，要保證各層柱的軸壓比不超限，仔細對配筋簡圖每一個計算軸壓比進行核檢。在此過程中要采用人工的核算方式，一一核算。對于實際設計過程中出現的柱截面高度與寬度的比值不大于4而柱截面寬度為200mm如：700mm×200mm的一字形矩形柱，其截面類型延性較弱，要結合短肢剪力墻和異形柱的規定，更嚴格的確定其軸壓比。

結論：

在實際應用過程中，我們對地震區節點受剪承載力計算公式的定位要準確合理，不要簡約大概的模式與思維，要針對可能出現的問題和工程實際，合理分析，科學設計，有以下幾點需要注意

（1）當異形柱框架結構處于不對稱情況時，要進行扭轉對其受力的影響；

（2）合理的分析異形柱框架結構在地震作用下的彈塑性變化；

（3）根據實際情況考慮，設置抗震墻，要合理適量；

（4）開發更實用性的軟件，應用于異形柱框架結構的截面設計方面。