民用建筑异形柱框架结构设计

汤显衡

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。

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“Ｔ”形、“十字”形、“Ｌ”形、“Ｚ”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3m～6m之间取值(柱网尺寸不应大于6.0m×6.0m)；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2／3。

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,此时在另一方向應沿柱肢宽增设暗梁,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 2～4范围内。控制肢长或肢厚比的目的在于:当异形柱肢长增大时,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 1／15,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≤29kN／m2。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,比较统一的认识是:设肢截面高为 h,宽为b,当矩形截面 1≤h／b≤3且h、b≥300mm时为柱；当异型截面 3＜h／b＜5时为异形柱；当 5≤h／b＜8时为短肢剪力墙；当 8≤h／b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: ①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；②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；③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: ①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；②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；③Z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: ①框架抗震等级: 6度区 H≤22m时, 四级； 6度设防区房屋高度H＞22m、7度区 H≤22m时,三级；度区 H＞22m时,二级。②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；③柱双偏压:异形柱是双偏压杆件,须采用双偏压计算。④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 0.6～0.7。⑤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: ①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(△u／h) 应不大于 1／550。②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 Tt／T1＜0.9,以符合《高规》(JGJ3- 2002)第 4.3.5条要求。③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14mm≤d≤25mm(钢筋直径太大时,因构件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Φ16mm、Φ18mm、Φ20mm、Φ22mm；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%。最大配筋率則不应大于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 d≤22mm,且 ≤1／25·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 6.5.5,如C30砼、HRB335钢筋时,ρmax= 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Φ10@100／150。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条不应小于20mm,且不应小于纵筋直径d,但根据砼规范(GB50010-2002)第 9.2.1条规定,应该取用30mm。

4 结束语

目前民用建筑,市场需求是日益朝着大开间、大空间方向发展,给异形柱框架结构体系带来了广泛应用的前景,尤其,在地震烈度 7度及以下地区,它不失为一种安全、经济的结构方案选择。作为结构设计人员,需要我们善于思考、勤于总结、积累经验,利用正确的概念进行设计, 使异形柱结构体系逐渐地得到发展、推广和应用。