异形柱节点域抗剪超限问题简析

张红州

（广州博厦建筑设计研究院有限公司 广州510623）

0 前言

混凝土异形柱结构是以T形、L形、十字形、Z形的异形截面柱（截面各肢的肢高肢厚比≤4 的柱）代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构，可以避免框架柱在室内凸出，少占建筑空间，改善建筑观瞻，在多层住宅项目中被大量采用。结合《混凝土异形柱结构技术规程:JGJ 149-2017》［1］表5.3.2-2 规定，截面的肢高≤1 000 mm，则肢厚≤250 mm。因截面宽度小很容易引起节点核心区截面剪压比超限，且在高烈度区很难调整满足规范要求［2］。因节点剪压比影响节点的综合抗震性能［3，4］，需要严格控制。同时因节点宽度小、钢筋密、浇捣质量差等不足，节点抗剪承载力应留有一定的富余度。

1 规范公式分析

文献［1］第5.3.2，5.3.5 条规定，抗震设计的中间层中间节点和端节点节点核心区受剪的水平截面应符合式⑴、式⑵的条件。因顶层容易满足本文不进行分析。

式中:［V］为节点核心区抗剪承载力设计值；Vj为节点核心区组合的剪力设计值。其余各参数具体含义详见文献［1］。

普通混凝土结构α =1.0。由式⑴可知，提高fc可有效提高［V］，因混凝土强度对结构内力的影响很小，故可简单确定提高比例。如由C30调高到C35时抗压强度比为16.7/14.3=1.17，同时还可以增大ζN，即提高至少17%［5，6］。

其余参数均与柱截面相关联，但柱截面与结构刚度相关联而影响梁端弯矩［7］，故最终影响要综合考虑式⑴、式⑵。

式⑵适用于框架节点核心区几何尺寸远小于梁跨和柱高的情况。根据节点核心区梁、柱弯矩平衡求得。节点上下端水平剪力为力偶，以节点核心区有效高度为力臂，平衡梁端弯矩之和［8］。所以增加节点有效高度及减小梁端弯矩之和，均可减小Vj。

因地震作用的大小与结构的刚度有关，减小梁跨度、加高梁截面、加大柱截面可以减小非地震作用的弯矩，但同时都会增大地震作用产生的弯矩。遗憾的是此消彼长后总弯矩减少相当有限，高烈度时甚至还会增大。通过以下案例计算进行总结。

2 案例计算

以某5 层住宅为例，利用YJK 软件计算不同梁柱截面时的节点剪压比，总结其变化规律。

2.1 设计条件

Ⅱ类场地、设计地震分组为第二组、框架抗震等级为三级、梁柱混凝土为C30。层高为首层4.5 m，其余层3.6 m。结构布置如图1 所示，L 型柱截面为200×600×600，梁截面为200×400～200×600。现以首层框架柱“Z1”形成的节点Y向抗剪进行分析。

图1 结构平面Fig.1 Structural Plan

2.2 梁高的影响

仅调整梁截面（Z1 截面为200×600×600），结果如表1所示。

表1 抗震设防烈度7度及7.5度时节点剪压比Tab.1 Shear Compression Ratio of Joint with 7 and 7.5 Degree Earthquake

由表1 可知，加高梁截面可有效改善节点抗剪超限问题，在低烈度常规截面时表现出单调线性关系。这是因为由梁截面加大而引起的梁端弯矩增长幅度小于节点截面增加幅度。但高烈度时，结构刚度变大引起的梁端弯矩增加较多，没有表现出线性规律，而在一个中间截面组合时出现最小比值。

2.3 柱肢截面高度的影响

以表1 中有利的梁截面组合B1:200×700、B2:200×500、B3:200×600 为基础，仅调整Z1 截面。结果如表2所示。

表2 抗震设防烈度7度和7.5度时节点剪压比Tab.2 Shear Compression Ratio of Joint with 7 and 7.5 Degree Earthquake

加大柱截面高度对结构刚度增加更明显，从而引起的梁端弯矩增加幅度较大，在高烈度区更是如此。剪压比在一个中间截面高度时出现最小比值。由表1、表2 的结果可知:在高烈度区，调整梁柱截面高度引起的节点剪压比变化没有规律。实际设计常出现反复调整试算也难满足，超过7.5度时更难调整。

3 调整措施总结

3.1 提高异形柱混凝土强度等级简单有效

实际工程仅提高超限柱不现实，而因个别柱超限把整层柱或全部梁板柱混凝土等级提高，经济性会变差。故需结合超限数量和项目情况考虑取舍。当仅提高柱混凝土强度时，施工图应对节点施工方法提出明确要求，并加强技术交底工作［9］。

3.2 加高与框架柱相连的梁截面，以增加节点有效截面高度

当梁端采用竖向加腋而非整条梁加高时，还可以降低梁端总弯矩，效果会更好一些［10］。但异形柱框架结构梁跨度都不大，会因加腋范围相对较大而降低其效果，对超限很少的节点可通过试算决定是否采取。

3.3 加大柱肢的厚度

截面厚度加大可提高节点抗力，对结构刚度影响较小，但势必会引起外露柱角。对高品质的住宅和一些要求较高的业主是难以接受的。对一些次要空间在与业主、建筑专业协商统一意见后也可以采用。

3.4 适当位置加剪力墙

在高烈度区采取以上3条措施仍无效时，实际已很难通过小量的调整截面尺寸来满足。此时可把超限严重的柱改为剪力墙。对超限异形柱数量较多时，宜考虑框架-剪力墙结构。

4 结语

高烈度区异形柱结构节点剪压比超限是设计难点，首先应根据计算结果文件看总的超限数量和每根柱的超限比例，当超限较少时，可通过本文总结的调整措施，进行细致计算推敲。当剪力超出很多、超限的柱数量较多时，小量的截面尺寸调整已难以满足，应择优考虑布置剪力墙，可避免反复调整浪费时间。