建筑结构设计中异形柱框架结构分析.doc

1、建筑结构设计中异形柱框架结构分析摘要: 随着人们对住宅使用功能、空间划分上的要求不断的提高，传统的砖混结构的住宅已经不能满足人们的需要了。于是框架结构和异形框架逐渐被运用于住宅建筑中。本文将结合异形柱框架结构形式、受力性能、计算分析、结构构造等方面进行分析探讨。 关键词: 异形柱, 受力性能,框架柱 ，结构设计, 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 异形柱结构是采用 T 形、L 形、十字形等截面的异形柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构, 在工程设计中可根据建筑设计对建筑功能及建筑布置的要求, 在结构的不同部位,采取不同形状截面的异形柱。异形柱的柱肢厚度及梁宽度与框架填充

2、墙协调一致, 避免了框架柱及梁在屋内凸出, 从建筑学角度也可称其为 “隐式框架” 1 。近年来, 随着我国住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高, 普通的矩形框架柱会给室内装饰和家具布置带来极大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面积, 这对住宅结构设计提出了一项新的要求。异形柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求, 兼备了框架及剪力墙结构体系的优点, 它将是今后住宅结构体系的发展方向之一。 1 异形柱的受力性能 （1) 承载能力。异形柱不同于矩形柱, 它由多肢组成, 柱肢截面高度与柱肢宽度的比值一般在 2.54, 墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大, 导致各向刚度不一致,

3、其各向承载能力也有较大差异。 （2）变形特征。一般住宅的层高在 2.8 m 3.1 m, 异形柱肢厚在200 mm 左右, 异形柱为了获得足够的承载力, 肢长一般不会太小, 这就容易造成柱剪跨比过小, 形成短柱( 柱净高 H / 柱肢长 h 4, 由于异形柱属薄壁构件, 也会因截面曲率 M / EI 或 ecu / X ( ecu 为混凝土的极限压应变, X 为截面受压区高度) 较小, 使弯曲变形性能有限, 延性较差。 2 异形柱的计算分析 2.1 计算方法 在低烈度区, 且水平力作用在截面对称轴内时( 如异形柱为十字形) , 弹性分析计算其翘曲应力很小, 此时如同承受水平力的偏压构件, 仍可

4、按平截面假定分析, 按混凝土设计规范计算。而在高烈度区, 且水平力作用在非主轴方向, 则翘曲应力不容忽视,按平截面假定误差较大, 则应对异形柱结构进行有限元分析, 决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时, 应选用带有异形柱计算功能的软件, 如中国建筑科学研究院的 TAT ,SATWE 程序及天津大学的钢筋混凝土异形柱结构配筋计算程序 CRSC 等。 2.2 计算模型 由于在实际工程中所布置的竖向构件往往不全是异形柱, 其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙(一般剪力墙或部分短肢剪力墙)，形成异形柱框架) 剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时, 有的设计人员常会把异形柱按短肢剪力

5、墙输入, 有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱按短肢剪力墙输入, 这样势必造成计算误差, 而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁, 按异形柱输入的, 梁长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输入的, 梁长取墙肢端点长度, 两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。 3 异形柱框架结构设计构造 3.1 材料要求 混凝土的强度等级不应低于 C25, 且不应高于 C50。 纵向受力钢筋宜选用高强的 HRB400, HRB335 级钢筋。 3.2 截面要求 （1) 异形柱截面各肢肢高、肢厚比不应大于 4, 肢厚不应小于 200 mm。 （2）异形柱不应采用一字形和 Z 字形。 （3）尽可能地

6、避免短柱和极短柱, 异形柱的剪跨比宜大于 2, 不应小于 115, 减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性。 3.3 框架柱 （1) 柱纵筋与箍筋设置形式有“ L” “T”“十” 及双排布置等形式。在同一截面内, 纵向受力钢筋宜采用相同直径, 其直径不应大于 25 mm, 且不小于 14 mm, 纵筋间距大于 250 mm 时, 应设置纵向构造筋, 其直径可采用 12 mm, 并设拉筋, 拉筋间距为箍筋间距的两倍。 （2） 柱截面厚度小于 200 mm 时, 纵向受力钢筋每排不应多于 2 根； 肢厚在 200 mm250 mm 时, 每排钢筋不应多于 3 根, 必要时可分两排设置, 两排钢筋之

7、间的净距不应小于 50 mm。 （3）框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率: 抗震等级为级时, 中柱、边 柱不应小于 0.7%, 角柱不应小于 0. 9%；抗震等级为 级时, 中柱、边柱不应小于 0.6%, 角柱不应小于 0.8%。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率, 抗震设计时, 对 级、 级钢筋不宜大于3%。 框架柱应采用复合箍, 严禁采用具有内折角的箍筋, 箍筋必须做成封闭式。箍筋末端做成不小于 135b 的弯钩, 弯钩端头直段长度不应小于10d ( d 为箍筋直径) 。 箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的 1/ 6 和 500 mm 者中的最大值。在加密区内, 箍筋的直径不变, 间距

8、 100 mm。 3.4 框架节点 框架梁的截面宽度与异形柱的肢宽相等或梁截面宽度每侧凸出柱边小于 50 mm 时, 在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边大于 800 mm 处, 且满足小于 1/ 25 坡度的条件下向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。 当框架梁截面宽度的任一侧凸出柱边不小于 50 mm 时, 则该侧梁角上的纵向受力钢筋可在本肢柱筋外侧伸入梁柱节点内。 3.5 框架顶层柱纵向钢筋的锚固和搭接 由于异形柱柱肢宽度与梁相当, 所以存在着梁筋与柱筋交接处较密集的问题。5 规程 6 2 根据国家标准 5 混凝土结构设计规范 6 第 11. 6. 7 条规定并考虑异形柱的特点, 顶层端节点柱外纵

9、向钢筋沿节点外边和梁上边与梁上部纵向钢筋的搭接长度增大到 1.6laE ( 1.6la) , 但伸入梁内的柱外侧纵向钢筋截面面积调整为不宜少于柱外侧全部纵向钢筋截面面积的 50%。在目前没有异形柱结构标准图集的情况下, 设计人员应在结构设计总说明中予以注明, 以免发生施工错误。 3. 6 柱与填充墙的连接 (1) 异形柱框架结构的填充墙应采用轻质墙体材料, 并必须与框架可靠地连接。当采用砌体填充墙时, 在框架与填充墙的交接处, 沿高度每隔 500 mm 或砌体皮数的适当倍数, 用 2 号 6 钢筋与柱拉结。钢筋由柱的每边伸出, 进入墙内的长度: 级抗震时沿填充墙全长设置；级时不小于填充墙长的

10、1/ 5 及 700 mm。填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于 M2. 5。2) 填充墙长度大于 5 m 时, 墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过 4 m 时, 宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋混凝土水平墙梁。 4 节点核心区受剪承载力 由异形柱的截面特性, 决定了梁柱节点核心区域面积较小,而梁柱纵筋交汇使 得箍筋配置不可能太多。为了满足抗剪承载力的要求, 只能提高混凝土的标号, 但随之带来的问题是构件变脆, 同时与梁板混凝土强度的协调也成问题, 有时为了个别柱的需要, 而使全部柱的混凝土标号提高, 也造成了投资上的浪费。为了解决这一问题, 我们在已建成的工程中采用了在节点核心区的柱内加竖

11、向钢板的方法, 钢板伸过节点核心区上下一定的长度锚固, 按钢板与混凝土协同工作来计算分析, 确定钢板的截面尺寸。 5 结语 对于有较高抗震要求的房屋, 不建议采用异形柱。 根据平面布置和受力特点, 可在各种结构体系中部分布置异形柱, 以充分发挥异形柱在建筑使用和结构受力上的优点。一般的商住楼由于底层大多是大开间商业用房或车库, 并不受功能上的限制, 因此底层可设方柱, 以上转为异形柱, 墙肢长宽比小于 4, 转换层处的梁比其他梁适当大些, 考虑它有转换功能。 在利用结构软件( 比如 PKPM, TBSA, GSCAD 等) 计算时采用墙还是采用柱,小墙肢与异形柱能否互相替代, 应根据结构实际情况而定。 参考文献 1 王玮. 异型柱结构设计要点J . 建筑与结构设计, 2008(3) : 25- 27. 2 JGJ 149-2006, 混凝土异形柱结构技术规程S . 3 何惟雄. 框架结构强柱弱梁分析及设计改进建议J . 山西建筑, 2009, 35(9) : 93- 94. 4 林喜斌, 卢传香. 对异形柱框架结构设计的综合分析J . 园林、建筑与规划设计, 2008( 6) : 87- 88.