异形柱框架在多层住宅设计中的应用

摘要:文章分析了混凝土异形柱框架结构的特点,介绍了异形柱设计中的计算方法、结构分析方法等在设计中需要注意的若干问题,对于其设计和应用提出了参考。

关键词:异形柱框架;异形柱设计;多层住宅;住宅设计

中图分类号:TU375文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0042-02

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≤35m,层数<12,建筑物的高宽比不宜大于5;8度区房屋高度不大于25m,建筑物的高宽比不宜大于4。另外,柱净高与截面长边之比,即长细比宜大于4小于8。长细比小于4(即短柱),容易发生脆性剪切破坏;长细比大于8,易引起失稳破坏。

(三)抗震等级

异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构造措施要求。

三、异形柱框架结构的计算要点

普通框架柱一般采用方形或矩形,为了使2个主轴方向的受力性能相差不大,一般要求h/n≤1.5,剪力墙肢一般要求h/bw>4,而异形柱作为一种新型的承受竖向力构件,h0/bz-2～4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,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/h>4,亦即入=HM/2h>2。

(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0.8～1.2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?酌RE。对于正截面承载能力,取?酌RE=0.8;对于斜截面承载力取?酌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Ⅲ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的不断发展,一定会有越来越广泛的应用,只有在设计中充分了解异形柱的受力特点和其破坏机理,选用合理的结构布置,正确使用计算机分析方法,其结构才会安全可靠。

参考文献

[1]王昕,王欣.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[J].建筑施工,2008,30(4).

作者简介:赵岩松(1965-),女,黑龙江依兰人,吉林铁道勘察设计院有限公司工程师,研究方向:建筑设计。