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異型柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討論文
摘 要：從異型柱框架結(jié)構(gòu)的自身受力特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了異型柱在住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的相關(guān)問題。
關(guān)鍵詞：異型柱 框架結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)方法
一、概述
隨著我國住宅產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)住宅建筑使用要求的不斷提高，普通的矩形框架柱會(huì)給室內(nèi)裝飾和家具布置帶來極大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面積，這對(duì)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一項(xiàng)新的要求。異型柱框架結(jié)構(gòu)體系在一定程度上滿足了上述要求，從結(jié)構(gòu)受力角度來說，它博采框架加剪力墻體系之長，平立面布置近于框架結(jié)構(gòu)，柱的截面形式又不拘泥于矩形，將截面積向工程軸外鋪開成T形、十字形、L型等，用較少的混凝土材料，獲得了較大的剛度；同時(shí)配合輕質(zhì)填充墻的使用，結(jié)構(gòu)重量比一般框架更輕。適中的剛度和較輕的自重，對(duì)減小地震作用很有利，是一種經(jīng)濟(jì)合理的抗震住宅結(jié)構(gòu)體系。
二、異型柱受力特點(diǎn)
異型柱結(jié)構(gòu)與普通框架結(jié)構(gòu)相比，有如下受力方面的特點(diǎn)：
1．根據(jù)建筑上的需要，異型柱在房間的分隔墻交點(diǎn)處靈活布置，平面剛度疏散均勻，經(jīng)常會(huì)有梁縱、橫不貫通，結(jié)構(gòu)較難簡化為平面結(jié)構(gòu)計(jì)算；
2．立面剛度分布較均勻，異型柱與輕質(zhì)砌體填充墻在彈性階段共同工作性能良好；
3．柱采用T形、L形、十字形等截面形式，肢寬厚比在2.5~4.5之間，柱肢薄而狹長，雙向壓彎效應(yīng)明顯；
4．異形截面僅有一根對(duì)稱軸或沒有對(duì)稱軸，對(duì)荷載的方向角敏感，抗扭剛度較差，相應(yīng)地也造成異型柱結(jié)構(gòu)的荷載方向敏感性，且稍有不對(duì)稱或偏心，抗扭能力降低較大；
5．異形截面的柱肢角部是明顯的薄弱部位，尤其是梁底與柱肢交界斷面的柱肢角部，應(yīng)力集中嚴(yán)重；
6．異型柱結(jié)構(gòu)的梁高寬比大，柱肢狹長，使梁柱重疊部分多，在梁端一定范圍形成剛域；同時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)較大而薄，在彈塑性階段，應(yīng)計(jì)入節(jié)點(diǎn)區(qū)變形對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響；
7．異型柱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力性能與矩形柱節(jié)點(diǎn)有較大區(qū)別，一方面由于梁柱薄，施工時(shí)混凝土不易振搗密實(shí)，再加上梁柱交接處應(yīng)力集中和后期破壞較重，削減了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的有效體積，使節(jié)點(diǎn)抗剪承載力降低；另一方面，節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞部位向梁端的外移，又緩解了節(jié)點(diǎn)區(qū)受力的復(fù)雜程度，有利于強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。
三、異型柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有關(guān)問題
1．結(jié)構(gòu)平面布置
異型柱框架結(jié)構(gòu)的平面布置，除應(yīng)遵守一般框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施、相關(guān)規(guī)定、設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)考慮自身的特點(diǎn)，注意以下幾點(diǎn)：
（1）平面布置宜盡量對(duì)稱，兩個(gè)主軸方向要協(xié)調(diào)，使合力中心盡可能和剛度中心重合，減少偏心距，盡量減少因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利影響；
（2）考慮采用雙向承重體系，并縱橫向相連接
�。�3）各柱肢應(yīng)盡量對(duì)齊，使柱肢與梁一起構(gòu)成較規(guī)則、多跨的抗側(cè)力體系。筆者認(rèn)為，異型柱設(shè)計(jì)的目的主要是合理解決小面積房屋的使用問題，應(yīng)重點(diǎn)布置在房屋中影響房間使用的墻角部位，其它部位從受力合理和施工方便兩個(gè)方面考慮宜采用矩形截面柱。這樣兼顧了使用和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面，充分發(fā)揮了異型柱使用和受力的特點(diǎn)創(chuàng)造出每平方米建筑面積用鋼量較低的好指標(biāo)。
2．設(shè)計(jì)方法
異型柱和矩形柱的截面形式差異很大，不能簡單把矩形柱的計(jì)算方法應(yīng)用到異型柱中。目前，國內(nèi)可直接進(jìn)行異型柱截面內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)的軟件有建研院的ＴＡＴ、ＳＡＴＷＥ程序，廣東省建院的ＳＳ、ＳＳＷ程序以及天津大學(xué)的鋼筋砼異型柱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算程序ＣＲＳＣ。這些程序均用數(shù)值積分法進(jìn)行正截面配筋設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。考慮到上述兩種規(guī)程作為地方標(biāo)準(zhǔn)，具有一定局限性，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題
�。�1）按肢長與肢寬之比定義異形柱或短肢墻很大程度是為了學(xué)術(shù)上的便利。但用TAT程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，按異形柱模式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，應(yīng)適當(dāng)增加抗地震力；當(dāng)按短肢剪力墻模式計(jì)算可使梁配筋偏小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整配筋；
�。�2）在一般的矩形柱的多層框架結(jié)構(gòu)中側(cè)移多不起控制作用，而對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)，由于側(cè)向剛度較小，有時(shí)側(cè)移會(huì)超過規(guī)范允許值；
�。�3）對(duì)柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比小于4的異形柱，應(yīng)沿柱高全高加密箍筋，以減小地震作用下柱剪切脆性破壞的危險(xiǎn)性和改善柱的變形性能；
�。�4）因荷載方向角的任意性，在異形柱內(nèi)折角處也應(yīng)設(shè)置相同直徑的受力筋；
（5）位于L形柱角處的縱向受力鋼筋為雙向共用；
�。�6）為安全起見，對(duì)抗震等級(jí)三級(jí)及三級(jí)以上的結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，以保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的可靠性；
�。�7）施工過程中對(duì)異形柱及其節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)加以重視，采用骨料粒徑較小的混凝土進(jìn)行澆筑，以確保施工質(zhì)量。
3．構(gòu)造設(shè)計(jì)
�。�1）柱壁厚度和砼標(biāo)號(hào)的選擇
參照規(guī)范及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，柱肢的厚度最小不少于160ｍｍ，一般常采用200ｍｍ 比較合理。對(duì)于８層及以上框架其下面兩層梁柱節(jié)點(diǎn)處的鋼筋有時(shí)顯得比較密集，因此不宜減薄。在梁跨度較大時(shí)，柱子往往顯得截面不足，軸壓比太大，鋼筋過分密集。因此最好把一二層柱砼標(biāo)號(hào)提高到 C30左右，避免采用加大壁厚的方案。
（2）縱向鋼筋和箍筋
縱向受力鋼筋選用時(shí)，數(shù)量宜少，直徑宜大，一般只要不大于Ф25均應(yīng)選較大的直徑減少根數(shù)，而每邊鋼筋的數(shù)量宜用2根，多則做兩排配置。底層每邊鋼筋的數(shù)量也可以用3根，但穿出樓面的柱筋每邊單排配筋還是不要多于2根為宜，否則節(jié)點(diǎn)施工困難。
縱向構(gòu)造鋼筋在柱肢寬較大時(shí)應(yīng)該設(shè)置，以保證縱向鋼筋間距不大于350mm的規(guī)范要求，因?yàn)楫愋椭目v向構(gòu)造鋼筋比較多，因此其直徑的選取也是影響經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的一項(xiàng)因素，根據(jù)我國鋼筋砼設(shè)計(jì)規(guī)范和國外有關(guān)資料以及有關(guān)剪力墻的構(gòu)造規(guī)定，筆者認(rèn)為取Ф12、Ф14還是比較合理的，不必選用更粗的鋼筋。
箍筋的設(shè)置對(duì)抗震設(shè)防的影響很大，按我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)規(guī)定及參考國內(nèi)外有關(guān)資料，建議箍筋最小直徑可以選用Ф6，在加密區(qū)的間距為100mm，在非加密區(qū)的間距為200mm。
�。�3）軸壓比限值
異形柱在單調(diào)荷載，特別在低周反復(fù)荷載作用下，粘結(jié)破壞較矩形柱嚴(yán)重，延性比普通矩形柱差，因此，異形柱的軸壓比限值比矩形柱嚴(yán)格得多。天津《規(guī)程》根據(jù)截面類型、箍筋間距與縱筋直徑比s/d、箍筋直徑dv和抗震等級(jí)確定，在0.3~0.7之間波動(dòng)，比矩形柱結(jié)構(gòu)的柱軸壓比限值低很多。所以，在程序試算后，應(yīng)按上述條件初步確定出各柱的軸壓比具體限值，并在配筋簡圖中仔細(xì)查看各層柱的計(jì)算軸壓比是否有超限的。因?yàn)榇藭r(shí)異形柱的實(shí)配縱筋和箍筋還是未知的，PKPM程序無法判斷每個(gè)柱的軸壓比具體限值，只有在軸壓比超過矩形柱結(jié)構(gòu)的軸壓比限值時(shí)，程序才會(huì)報(bào)告軸壓比超限。因此，異形柱的軸壓比超限，必須逐一手工核算。
四、結(jié)束語
異型柱框架結(jié)構(gòu)的平面布置比普通矩形柱框架靈活，可以較好滿足建筑功能的要求，具有良好的發(fā)展前景，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解異型柱的受力特點(diǎn)，正確把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，確保工程結(jié)構(gòu)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。
參考文獻(xiàn)
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[3] GB S0010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.[S].
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