混凝土异形柱框架结构的受力特点及在住宅设计中的应用

1、混凝土异形柱框架结构的受力特点及在住宅设计中的应用 【摘要】住宅设计中采用混凝土异形柱框架结构越来越多。阐述了混凝土异形柱框架结构中受力特点，针对异形柱受力破坏机理。指出合理的结构布置、结构计算及构造措施，以确保结构的安全可靠。 【关键词】异形柱框架结构 受力特点 结构设计 构造措施1、混凝土异形柱框架结构的特点 异形柱：截面几何形状为L形、T形、和十字形，截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。混凝土异形柱框架结构：是以异形柱代替一般框架柱，和梁刚性连接组成的承受竖向和水平作用的结构。 (1)异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，实验研究及理论分析表明：异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载(作

2、用)方向不同而有较大差异。在L形、T形和十字形三种异形柱中，以L形柱的差异最为显著。当异形柱结构中混合使用等肢异形柱与不等肢异形柱时，则差异情况更为错综复杂，成为异形柱结构地震作用计算中不容忽视的问题。所以对异形柱结构应采用三维空间分析的方法，目前能用于这种结构抗震分析的常用软件有TAT，SATwE等o (2)实验表明，异形柱在单调荷载特别在低周反复荷载作用下粘结破坏较矩形柱严重。对柱的剪跨比不应小于1.5的要求，是为了避免出现极短柱，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性，为了设计方便，当反弯点位于层高范围内时柱的净高与柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震设计时不应小于3。 (3)异形柱多为两肢

3、、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力时要靠各肢交点处核心混凝土协调变形和内力分布。由弹性分析知道这种变形协调使各柱肢存在相当的翘曲正应力和剪应力，而该剪应力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通压剪构件出现裂缝，其次对各肢相交之核心混凝土，使其单元应力呈三维剪压状态，由此使异形柱较普通框架柱变形能力低，脆性破坏明显。 (4)根据试验研究和理论分析知道，影响框架柱和剪力墙肢破坏形态的主要因素有：轴压比U，剪跨比入、配筋率及构造处理。异形柱作为压剪构件，由于其肢长与肢宽之比以及肢宽等介于普通框架柱和剪力墙肢之间，说明异形柱是介于两者之间的一种“过渡性”构件。试验和分析表明异形柱作为压剪构件

4、，其破坏形态有：弯曲破坏，小偏压破坏，粘接破坏，高压剪破坏以及剪压破坏，剪拉破坏和斜压破坏。和其破坏形态相关的主要因素是：轴压比、柱净高与截面肢长之比(即剪跨比)、纵筋配筋率等。通过必要的构造措施可以防止粘结、剪拉及斜压等脆性破坏，提高柱肢的小偏压及剪压破坏的延性。 (5)试验研究表明，异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节。为确保安全，对抗震设计的二、三、四级抗震等级柱节点核心区以及非抗震设计的梁柱节点核心区，均应进行受剪承载力计算。在设计中，尚可采取各类有效措施，包括例如梁端增设支托或水平加腋等构造措施，以提高或改善梁柱

5、节点核心区的受剪性能。对于纵横向框架共同交汇的节点，可以按各自方向分别进行节点核心区受剪承载力计算。2、混凝土异形柱框架结构设计21混凝土异形柱框架的结构布置 合理的结构布置(包括平面布置及竖向布置)无论在非抗震设计及抗震设计中都有非常重要的意义，结构的平面和竖向布置宜简单、规则、均匀，这就需要结构工程师与建筑师密切协调配合，兼顾建筑功能与结构功能的合理性。关于结构布置中对规则性的要求，混凝土异形柱结构技术规程(JGJ 149-2006)提出：异形柱结构宜采用规则的结构设计方案，抗震设计的异形柱结构应符合抗震概念设计的要求，不应采用特别不规则的结构设计方案。比现行国家标准建筑抗震设计规范GB

6、50011对一般钢筋混凝土结构的有关规定更为严格，这是根据异形柱结构抗震性能和抗震设计特点而提出的。 异形柱结构并不要求全部柱截面均为非矩形截面。在工程设计中，应根据结构的平面布置和受力特点，结合具体的建筑平面布置L形、T形、和十字形等异形柱，以充分发挥异形柱在建筑使用上和结构受力上的优点，从而得到良好的技术经济指标。结构布置在平面和沿结构高度上刚度和质量要均匀布置，以减小结构在地震过程中的扭转影响和防止出现薄弱层。另外，L形、T形和Z形截面异形柱的截面配筋具有非常明显的不对称性，试验表明就单个异形柱构件而言，其延性有较大缺陷。但是，试验和理论分析表明由对称布置的异形柱所组成的框架，由于相互对

7、称的异形柱的优缺点能相互补充，具有较好结构延性，所以结构的平面布置上组成框架的异形柱应尽可能对称。异形柱的肢厚较薄，其中心线宜与梁中心线对齐，尽量避免由于二者中心线偏移对受力带来的不利影响，平面节点处(轴线交叉点处)应尽可能设柱，避免主次梁搭接：在多层住宅中，异形柱宜布置在房间中影响使用的墙角处，其他部位从受力合理和施工方便考虑宜布置成矩形柱。 22混凝土异形柱框架的结构计算 无论是非抗震设计还是抗震设计，在竖向荷载、风荷载、多遇地震作用下混凝土异形柱结构的内力和变形分析，按我国现行规范体系，均采用弹性方法计算，但在截面设计时则考虑材料的弹塑性性质。在竖向荷载作用下框架梁及连梁等构件可以考虑梁

8、端部塑性变形引起的内力重分布。异形柱的柱肢截面的肢高肢厚比限制在不大于4的范围，与矩形柱相比，其柱肢一般相对较薄，研究表明：这样尺度比例的异形柱，其内力和变形性能具有一般杆件的特征，并不满足划分为薄壁杆件的基本条件。故在计算分析中，异形柱应按杆系模型分析。按空间模型进行结构分析时，柱与梁均考虑弯曲、剪切、及扭转变形，二者的差异是，柱还应考虑轴向变形：而梁一般不考虑轴向变形，仅当有必要考虑楼板平面内变形时才考虑轴向变形。 框架结构中的非承重填充墙属于非结构构件，但框架结构中非承重填充墙体的存在，会增大结构整体刚度，减小结构自振周期，从而产生增大结构地震作用的影响。为反映这种影响，可采用折减系数&

9、#162;给对结构的计算自振周期进行折减(具体数值采用详见混凝土异形柱结构技术规程JGJ 1492006)。3、混凝土异形柱框架结构构造措施 (1)采用高强度等级混凝土，可降低轴压比，对异形栩的延性也有好处。 (2)异形柱结构的显著特点是截面和配筋不对称，导朔异形柱在两个方向强度和延性不对称。为了尽量降低这种影响，腹板端部配筋应在合理范围内尽可能多，而采用级钢筋能起到类似的作用。采用HRB400和RRB400钢筋在同样的外力作用下，钢筋用量较少，方便施工，更好的保证混凝土浇质量。 (3)在实际工程中，异形柱的宽厚比一般均大于2.5：当异形柱截面肢厚小于200mm时，将会造成粘结强度不足及梁柱节

10、点的钢筋设置困难，基于施工和外墙保温隔热等要求，故限制异形柱肢厚也不应小于200mm。同时考虑到稳定性等问题，柱肢厚度不宣小于楼层高度的120；对于二级抗震设计要求的底层异形柱，由于其计算长度较大，为了保证足够的侧向刚度和稳定性，故柱肢的厚度不应小于楼层高度的116。 (4)异形柱柱端箍筋加密区的箍筋应根据受剪承载力计算，同时满足体积配箍率条件和构造要求确定。对箍筋合理配置的研究中发现，当体积配箍率p相同时，采用较小的箍筋直径反和箍筋间距s的延性好；只增大箍筋直径来提高体积配筋率而不减小箍筋间距并不一定能提高异形柱的延性，只有在箍筋间距s对受压纵筋支撑长度达到一定要求时，增大体积配箍率p，才能达到提高延性的目的。 (5)考虑异形柱的柱肢截面厚度较小，若中间柱两侧梁高度相等时，梁的下部钢筋均在节点核心区内满足L条件后切断的做法会使节点