民用建筑异形柱框架结构设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 民用建筑异形柱框架结构设计 摘 要：本文笔者结合设计实践 经验,阐述了钢筋混凝土异形柱框架结构 设计方法及要点。 中国论文网 /2/view-12903141.htm 关键词：异形柱框架；结构设计； 计算分析 TU24 前言 近年来,异形柱框架结构在多层民 用建筑设计中得到了广泛的应用。所谓 异形柱是相对于通常的矩形截面柱而言 的,是指截面各肢长与肢厚之比不大于 4 的截面形状为“ ” 形、 “十字”形、 “” 形、 “”形的钢筋混凝土柱。钢筋混凝土异 形柱框架结构是指仅由异形柱作为竖向 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 构件组成的结构体系,它有如下特点: (1) 具有一般矩形柱框架结构整 体性较强,抗震延性好的优点。 (2)兼有砖混结构的优点,且又有 效解决了砖混房屋超高的技术问题。因 此特别适用于联排别墅、高档多层住宅 等。 (3) 因墙体厚度一般与异形柱肢 厚相同,室内不出现柱楞不露梁,使用面 积能增加 8%10% 。既改善了建筑功 能,也提供了大空间及住户拆改装修的便 利条件。 (4) 由于填充墙推荐采用粉煤灰、 加气混凝土砌块等非粘土质新型轻质墙 体材料, 使得造价能低于普通框架结构 约 10%15%。 1 结构体系布置 1.1 适用条件 本着安全适用、技术先进、经济 合理的设计原则, 异形柱框架结构型式 适用于地震烈度 7 度及以下地区的民用 房屋,尤其适用于带错层、跃层的多层复 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 杂住宅和小高层。 规程关于异形柱 框架结构的适用条件为: 7 度区总高度不 超过 24m,总层数不超过 8 层；6 度区总 高度不超过 35m,总层数不超过 12 层。 超过此限制标准时的小高层, 建议采用 短肢剪力墙结构。 1.2 结构布置 在工程设计实践中, 异形柱常用 截面形式有“L”“T”“十” 型等,特殊形式还 有“Z”型和“一” 型。在考虑满足建筑功 能要求的前提下,体系以力求布局合理、 刚度均匀、力求均衡、减少扭转为布置 原则。因此异形柱的合理布局是整个结 构布置的关键。柱布置时,宜规整对齐, 并按“密柱小梁 ”的布置思路 ,平面节点 (轴线交叉点)应尽量设柱,避免主次梁搭 接。柱间距一般在 3m6m 之间取值 (柱网尺寸不应大于 6.0m6.0m)；柱应 双向拉结,以形成双向刚接框架。 对底层大空间的异形柱框架体系, 转换层下的支承柱不允许采用异形柱,应 全部采用矩形柱。对底层架空层抽柱形 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 成转换层的情况, 要求楼板厚度 150mm；上层异形柱与下层矩形框架 柱面积比宜接近 1；上层异形柱与下层 矩形柱的重叠面积不应小于 23。 值得注意的是:在结构平面布置时,有 时因为建筑布局的功能、美观要求,只能 设置“一字形 ”柱,且仅能保证一个方向有 框架梁通过,此时在另一方向应沿柱肢宽 增设暗梁,来保证柱平面外的刚度与稳定,且 一字形柱的宽度不应小于 300mm。 1.3 构件尺寸限制 (a) 柱肢宽度,一般取与墙体相同 的厚度(如 200mm),不低于 180mm 和不 超过 250mm。若肢宽偏低会造成施工 困难,偏高则导致柱体笨拙不经济,也可 能造成短柱或剪跨比超限。 (b)肢长根据 2肢厚比(肢长肢 宽)4 的控制指标进行确定,且肢长不宜 超过 600mm。(考虑角柱扭转明显,肢长 应取高值,且箍筋全长加密)。此外,异形 柱剪跨比也要控制在 24 范围内。控 制肢长或肢厚比的目的在于:当异形柱肢 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 长增大时,柱刚度增大,受震害越大, 因而 对结构受力性能不利。若肢长过大,异形 柱还可能形成短柱,使得柱肢端部受力过 于集中而发生失稳破坏。因此规程 对此规定为:2,4。当异形柱肢厚比超出 限制,建议改按剪力墙考虑。 (c) 框架梁截面高度,尽量满足室 内不露梁要求,但不应小于梁计算跨度的 115,且不宜小于 350mm。梁宽不小于 柱肢宽及 200mm。 1.4 材料选用 目前,外墙采用非承重砌体,内墙 采用轻质板材,推广使用非粘土质新型墙 体材料。常用轻质墙体材料主要有 ALC 砌块(板 )、JYM 页岩模数砖、砼空心砌 块等,容重应29kNm2。钢筋常用 HRB335、HRB400 级。异形柱的混凝 土强度等级不应低于 C25,常用 C30。 2 计算分析与参数控制 2.1 计算模型 对于柱、异形柱、短肢剪力墙和 剪力墙等竖向构件,从截面构造上划分, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 比较统一的认识是:设肢截面高为 h,宽 为 b,当矩形截面 1hb3 且 h、b300mm 时为柱；当异型截面 3hb5 时为异形柱；当 5hb8 时为短肢剪力墙；当 8hb 时为剪力墙。它们适用范围不同,构 造措施也不同。其主要区别是表现在受 力变形方面: 异形柱是以承受竖向力 为主的构件,受力变形接近于矩形框架柱,为 剪切变形,计算时应按柱输入；普通剪 力墙是以承受水平作用为主的构件,属弯 剪变形,计算时按墙输入；短肢剪力墙 变形接近于剪力墙。在结构力学计算中, 柱与剪力墙对于整个结构的受力性能影 响,是大不相同的.选择不同的输入方式, 无论自振周期、结构侧移,还是基底弯矩 和剪力、梁柱内力,都有很大的影响和差 别。在实际工作中,所布置的往往不全是 异形柱,其中经常会混合采用一字柱或一 些墙肢相对较长(肢厚比超限)的剪力墙 等等。在计算模型输入时,如果把异形柱 按短肢剪力墙输入,甚至将异形柱框架结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 构全部按短肢剪力墙输入,那样势必造成 很大的计算误差,进而影响结构、构件的 安全。因此,在程序整体计算模型输入时,提 醒注意以下几点: 对于肢长与肢宽之 比不大于 4 的异形柱,由于它已接近柱的 特征,应按异形柱形式输入；对于肢长 与肢宽之比稍大于 4 但不超过 5 的短肢 剪力墙,当其轴压比不高时,建议也按异 形柱套用；Z 字型柱, 建议按剪力墙 建模计算。 2.2 计算程序选用 由于异形柱截面形心往往与柱肢 中轴线不重合,在水平荷载作用下,水平 力通过与柱肢等宽的框架梁传至柱肢中 轴线上,使柱双向偏心受压,并产生扭转 力矩。显然,异形柱为双向偏心受压构件。 对异形柱结构体系而言,其自身特点决定 了其受力性能、抗震性能与矩形柱框架 结构不同。异形柱的截面应力要比一般 矩形截面柱复杂得多。如对 L 形截面柱,在 柱肢轴线不通过柱截面弯曲中心的情况 下,由于弯曲扭转力矩的作用,柱截面产 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 生扇性剪应力及扇性垂直应力 (翘曲应 力),其中扇性剪应力通常很小,可以忽略 不计,而扇性垂直应力相对较大,是必须 考虑的。因此,整体计算分析时,须按空 间体系考虑和采用弹性方法。 相应地,结构整体分析应选用具有 异形柱单元的计算程序采用进行。在工 程设计中,通常采用 PKPM 系列之多 高层空间有限元分析软件 SATWE进 行结构分析,计算精度较高。当采用不具 有异形柱单元的空间分析程序(如 TBSA5.0)计算异形柱结构时,可按开口 薄壁杆件模型进行内力分析。 2.3 参数选择 SATWE 软件应用时 ,以下几个参 数选择很关键: 框架抗震等级: 6 度区 H22m 时, 四级； 6 度设防区房屋高度 H22m、7 度区 H22m 时,三级；度区 H22m 时,二级。梁柱刚性连接:电算 时应注意:由于混凝土异形柱的柱肢较长, 梁柱重叠部分较大, 因此须点取“ 梁柱重 叠部分作为刚域” 选项进行计算； 柱 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 双偏压:异形柱是双偏压杆件,须采用双 偏压计算。调整系数:现浇结构中梁刚 度放大系数 2.0,边梁刚度放大系数 1.5；框架结构周期折减系数 0.60.7。对全楼强制采用刚性楼板 假定。 2.4 计算结果合理性判别 内力与位移计算全部由程序 完成,计算结果是否合理,以下三个参数 必须满足: 位移:异形柱框架结构按弹 性计算方法,楼层层间位移与层高之比 (uh) 应不大于 1550 。周期:要 求结构以扭转为主的第一自振周期 Tt 与以平动为主的第一自振周期 T1 之比 TtT10.9,以符合高规(JGJ3- 2002)第 4.3.5 条要求。 轴压比:应满 足省标第 6.2.1 条要求。对轴压比限制 目的在于实现强柱弱梁,提高柱的变形能 力(延性 ),防止出现小偏压破坏。抗震设 计中柱轴压比反映柱构件的变形能力,是 影响柱破坏形态的重要因素。作为异形 柱延性的保证措施,柱轴压比因此从严控 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 制。对于短柱,要求设计尽量避免,避免 不了时按规程表 6.2.1 条的规定限 值减小 0.05 取用。 3 节点设计及构造要求 从工程实践可以知道,7 度区总高 度不超过 24m 的建筑,只要其周期、层 间位移、抗扭刚度、轴压比等能满足规 范的要求,异形柱一般都是构造配筋。因 此,节点构造设计是结构设计必须重视的 环节。目前节点构造可以参用建筑物 抗震构造详图(03G329- 1)、标准图集 执行。异形柱框架结构因其特殊性,节点 构造还应符合规程第 6.5 章节的相 关要求,尤其以下几点设计中应该注意: 1)柱 筋不应在各层节点处切断；中间节点处, 梁筋应尽量贯穿。目的是保证节点变形 协调能力,同时减少钢筋头也方便施工。 柱筋应采用焊接或机械连接。2)异形柱 纵向受力钢筋的布置以柱肢截面的外、 内折角处均应设置为原则(间距 200mm),其直径要求是 14mmd25mm(钢筋直径太大时,因构件 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 尺寸小会导致粘结强度不足、节点钢筋 设置困难,太小则影响柱的延性),常用 16mm、18mm、20mm、22mm； 同一截面内,纵向受力钢筋宜采用相同直 径,且梁端和柱肢的钢筋根数尽可能采用 两根(不超过三根), 以防止梁柱节点处的 钢筋过密和妨碍混凝土的浇捣,及保证梁 柱节点的受力性能。全部纵向受力钢筋 的最小配筋率,应满足规程第 6.3.3、6.3.4 条的规定,如三级框架时,中 柱和边柱不应小于 0.7%,而角柱不应小 于 0.9%。最大配筋率则不应大于 3%。 柱的纵向构造钢筋间距200mm,钢筋型 号一般比受力筋低二级(便于识别) 且不 小于 14,构造筋采用拉筋拉结,拉筋间 距一般为箍筋的 2 倍；笔者认为计算最 大配筋率时应包含构造筋。3)各层楼盖 竖向荷载都通过梁作用于柱肢端部,使该 部位局部压力较大,建议设置暗柱,尤其 是“Z”型柱。4) 梁纵筋直径 d22mm,且 125 hc(hc 为与梁跨同向的墙肢截 面高度)。梁最大配筋率按规程表 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 6.5.5,如 C30 砼、HRB335 钢筋时,max= 1.9%； 5)相邻梁跨上 (下)部钢筋应采用 相同型号钢筋并尽量拉通, 不能拉通时 则锚入节点 Lac；边节点处 , 梁筋伸入 节点内水平段长度应 0.45Lac ,竖向弯 折段应15d；梁筋自柱筋内侧弯入节点 处,应按规程6.5.3 条要求,设置梁侧 构造筋和梁端附加封闭箍筋。6) 异形 柱的箍筋直径不应小于 8mm, 间距不应 大于 150mm。箍筋常用 10100150 。短柱、Z 形柱和二级 抗震时的角柱,其箍筋应全长加密；异形 柱箍筋为复合封闭式箍筋(禁止采用有 内折角的箍筋) ,末端应做成 135的弯钩 ,弯 钩端头直段长度应 10d(d 为箍筋直径) ,且 75mm。7) 节点核心区体积配箍率,按 规程6.5.7 条要求。8)异形柱纵向受 力钢筋的混凝土保护层厚度规程第 6.1.5