异形柱框架在多层住宅设计中的应用

1、2009年第 10期(总第 121期 Chinese hi-tech enterprisesNO.10.2009 (CumulativetyNO.121中国高新技术企业近年来,随着国家经济发展和人民生活水平的提高, 人 们对住宅建筑的要求越来越高 。 既要求户内平面布置灵活适 应性强又可兼顾采光外立面美观 。 以往北方地区多层住宅建 筑结构大多采用砖混这一传统结构, 受分隔规则 、 开间较小 、 可变性差等先天因素制约, 砖混房屋无法满足人们对建筑使 用功能的不同要求 。 并且随着国家禁用黏土砖政策的实施, 砖混住宅建筑正加快退出历史舞台 。 采用开间布置灵活 、 改 造性强 、 抗震性能好的

2、框架结构可较好地解决上述问题 。 但 采用普通的矩形柱框架又会带来另一问题:凸出墙面的矩形 框架柱角给住宅室内装饰和家具布置带来极大的不便, 影响 平面有效面积的合理利用 。 为此人们开始研究改进框架结构 以利于其在住宅建筑中更好的应用 。 结合纵横墙交接处布置 采用 “ L ” 形, “ 十 ” 形, “ T ” 形等异形柱, 肢厚与墙同宽, 完全消 除室内框架柱凸角, 提高有效使用面积, 从而更好地满足人 们的使用要求 。一 、 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

3、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 。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

4、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 、 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

5、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 、 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, 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

6、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, 包括梁端增设支托或水平加腋等构造措施, 以提高 或改善粱柱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 。二 、 异形柱结构设计的一般规定(一 结构布置与一般钢筋混凝土框架结构相比,异

7、形柱框架结构在结 构布置时应注意以下原则:(1 结构平面宜尽量对称, 使平面 和刚度均匀, 2个主轴方向应协调布置, 避免扭转带来的不利 影响; 如果有明显的不对称, 应考虑扭转对结构受力的不利影 响 。 (2 异形框架宜双向设置, 框架柱应对齐, 框架梁应拉通, 避免纵横框架梁相互支撑,使结构形成空间受力并具有足够 的承载能力 、 刚度和稳定性, 同时具有良好的整体性和较好的 抗震性能 。 (3 竖向布置应力求体型规则 、 均匀, 避免过大的外 挑和内收, 防止楼层刚度沿竖向的突变, 尽量避免错层 。 (二 适用高度 、 高宽比及长细比限制异形柱框架在 7度抗震设防烈度区,要求房屋高度 35

8、m , 层数 4, 而 异 形 柱 作 为 一 种 新 型 的 承 受 竖 向 力 构 件 , h 0/bz-24介于框架柱与剪力墙之间, 从而使其受力特点亦介 于普通框架柱与剪力墙之间 。 异形柱内力计算时, 既不能完全 按普通框架柱, 亦不能照搬剪力墙肢进行 。目前,大多数设计人员采用由中国建筑科学研究院高层 建筑技术开发部 多层及高层建筑结构空间分析程序 TBSA 进行内力计算 。 由于程序是以矩形截面柱为研究对象的, 而对 异形柱的结构几何数据输入无明确规定,输入时把异形柱用 具有相同抗弯刚度的矩形柱等替换,然而由于框架柱属于压 剪构件, 除了要求有相当的刚度外还应有较好的抗剪能力,

9、为 保证柱子具有一定的延性, 设计时通过对剪跨比 、 轴压比 、 主 筋配筋率 、 配箍率进行限定, 使异形柱有较好的抗震性能 。 (一 剪跨比剪跨比是反映柱截面所受弯矩与剪力相对大小的一个参 数 -H/2h, 是影响框架柱破坏形态的最重要的因素 。 控制剪跨 比即控制柱净高与柱截面肢长之比 。 由于异形柱的抗剪性能 差, 选择异形柱截面时, 为避免出现短柱, 控制入 =HM/h4, 亦即入 =HM/2h2。(二 轴压此的限定轴压比是指柱组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混 凝土抗压强度设计值乘积之比 。 它是影响柱破坏形态和变形 能力的另一个重要因素 。 有关研究结果表明:轴压比对异形柱 的

10、影响远远超过对普通矩形柱的影响, 为保证异形柱的延性, 必须严格控制轴压比, 柱应具有足够大的截面尺寸, 以防止出 现小偏压破坏, 并应满足抗震要求, 同时避免长细比小于 4的 短柱 。 由于异形柱的截面积比具有相同抗弯刚度的矩形柱小, 因此用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异 形柱 。 而异形柱的轴压比的限值在规范中又无详细规定, 考虑 到异形框架柱的抗扭 、 抗震性能较差, 一般认为, 设计中应按 混凝土结构设计规范 规定的轴压比限值减少 0.05选用 。 (三 主筋配筋率及配箍率的调整轴压比控制值的调整,使计算得出的矩形柱配筋值一般 均较小, 用于异形柱截面配筋时比值应予以放

11、大 。 考虑到异形 柱自身的受力特点,把柱纵向钢筋的最小总配筋率限值提高 0.1。 另外由于异形柱较普通柱易于开裂的特点, 设计时以普 通框架柱的构造体积配箍率 0.81.2为依据,异形柱的配箍 率取其上限, 并且配箍形式选用矩形复合箍筋 。(四 抗震调整系数的选取考虑地震作用组合的异形柱,其截面承载力应除以承载 力抗震调整系数 RE。 对于正截面承载能力, 取 RE =0.8; 对于斜截面承载力取 RE=0.85。四 、 异形柱结构的构造措施1. 采用高强度等级混凝土, 可降低轴压比, 对异形柱的 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, 导致异 形柱在两个方向强度和延

12、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筑 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, 柱肢厚度不宜小于楼层高度的 1/20;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

13、向刚 度和稳定性, 故柱肢的厚度不应小于楼层高度的 1/16。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 a 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 断的做法会使节点区下部钢筋过于密集,造成施工困难并影 响节点核心区的受力性能,故采取梁的上部和下部纵向钢筋 均贯穿中间节点 。五 、 结语混凝土异形柱框架结构随着经济