陳學(xué)強(qiáng)

摘 要：本文介紹了異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，并對(duì)一些常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：異形柱；住宅；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)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(lái)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(mǎn)足了上述要求，它博采了框架及剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，它將是今后住宅結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向之一。異型柱框架結(jié)體系具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)柱肢厚通常采用l80mm-200mm，肢厚基本與填充墻等厚，框架梁寬也同墻厚，室內(nèi)不凸出梁柱，便于使用又美觀，同時(shí)還增加了房間的使用面積，比相同形式的磚混結(jié)構(gòu)可增加約8％～10％的使用面積；(2)圍護(hù)墻通常是非承重的輕質(zhì)隔墻，原則上允許任意穿墻打洞，甚至拆除重砌，這使得房間布置更加靈活，能更好地實(shí)現(xiàn)建筑功能的要求；(3)雖然增加了施工難度，但因擴(kuò)大了使用面積，加之自重較輕，減少了基礎(chǔ)費(fèi)用，綜合考慮總體經(jīng)濟(jì)效益較好。

2 異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定

2.1 結(jié)構(gòu)布置

與一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，異形柱框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)注意以下原則：(1)結(jié)構(gòu)平面宜盡量對(duì)稱(chēng)，使平面和剛度均勻，2個(gè)主軸方向應(yīng)協(xié)調(diào)布置，避免扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的不利影響；如果有明顯的不對(duì)稱(chēng)，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響。(2)異形框架宜雙向設(shè)置，框架柱應(yīng)對(duì)齊，框架梁應(yīng)拉通，避免縱橫框架梁相互支撐，使結(jié)構(gòu)形成空間受力并具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)具有良好的整體性和較好的抗震性能。(3)豎向布置應(yīng)力求體型規(guī)則、均勻，避免過(guò)大的外挑和內(nèi)收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯(cuò)層。

2.2 適用高度、高寬比及長(zhǎng)細(xì)比限制

異形柱框架在7度抗震設(shè)防烈度區(qū)，要求房屋高度≤35 m，層數(shù)<12，建筑物的高寬比不宜大于5；8度區(qū)房屋高度不大于25m，建筑物的高寬比不宜大于4。另外，柱凈高與截面長(zhǎng)邊之比，即長(zhǎng)細(xì)比宜大于4小于8。長(zhǎng)細(xì)比小于4(即短柱)，容易發(fā)生脆性剪切破壞；長(zhǎng)細(xì)比大于8，易引起失穩(wěn)破壞。

2.3 抗震等級(jí)

異形柱框架結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、房屋高度及抗震設(shè)防烈度采用不同的抗震等級(jí)，并應(yīng)符合相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施要求。

3 異形柱的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

3.1 直接計(jì)算法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的部分試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合成經(jīng)驗(yàn)公式。即按T型截面分別計(jì)算出縱向力作用x軸及y軸，考慮相應(yīng)的初始偏心距增大系數(shù)后，按僅考慮曲肘邊縱向受力鋼筋計(jì)算的偏心受壓構(gòu)件所能承載的縱向力Nx和Ny，然后以初始偏心距與截面邊長(zhǎng)的比值為參數(shù)進(jìn)行修正。

3.2 等代矩形柱計(jì)算法

將異形柱截面折算成慣性矩相等的矩形截面且將等代矩形柱的形心置于異形柱兩肢桿軸線(xiàn)的交點(diǎn)上。

將其輸入空間分析程序(如TBSA)進(jìn)行位移和內(nèi)力計(jì)算，可簡(jiǎn)化工作量。

以上電算輸出的是作用在等代矩形桿形心處的組合內(nèi)力，需將其回歸到各個(gè)單肢截面的形心處。這樣每個(gè)單肢就可按其各自的組合內(nèi)力進(jìn)行正、斜截面的配筋計(jì)算。

這種用面積等效換算作抗壓抗剪分析的方法在工程中應(yīng)用較多，但用這種方法計(jì)算時(shí)應(yīng)明確的是：按矩形柱計(jì)算時(shí)得出的內(nèi)力要轉(zhuǎn)換到異形柱上斷面形心的位置．然后按異形柱計(jì)算配筋；按矩形柱得出的軸壓比應(yīng)乘以矩形柱斷面面積與異形柱斷面面積之比值才是異形柱的軸壓比。

3.3 先配筋再?gòu)?fù)核法

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，在參考一些相關(guān)算例的前提下，可以先對(duì)異形柱配筋再?gòu)?fù)核截面就顯得更為簡(jiǎn)便，截面復(fù)核時(shí)可分x軸和y軸均按T型截面分別復(fù)核。

不論是哪種計(jì)算方法，都可以依據(jù)<>的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

4 異形柱框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算要點(diǎn)

普通框架柱一般采用方形或矩形，為了使2個(gè)主軸方向的受力性能相差不大，一般要求h／n≤1．5，剪力墻肢一般要求 >4，而異形柱作為一種新型的承受豎向力構(gòu)件， 2～4介于框架柱與剪力墻之間，從而使其受力特點(diǎn)亦介于普通框架柱與剪力墻之間。異形柱內(nèi)力計(jì)算時(shí)，既不能完全按普通框架柱，亦不能照搬剪力墻肢進(jìn)行。

目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員采用由中國(guó)建筑科學(xué)研究院高層建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)部《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間分析程序TBSA》進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。由于程序是以矩形截面柱為研究對(duì)象的，而對(duì)異形柱的結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)輸入無(wú)明確規(guī)定，輸入時(shí)把異形柱用具有相同抗彎剛度的矩形柱等替換，然而由于框架柱屬于壓剪構(gòu)件，除了要求有相當(dāng)?shù)膭偠韧膺€應(yīng)有較好的抗剪能力，為保證柱子具有一定的延性，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)剪跨比、軸壓比、主筋配筋率、配箍率進(jìn)行限定，使異形柱有較好的抗震性能。

4.1 剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受彎矩與剪力相對(duì)大小的一個(gè)參數(shù) ，是影響框架柱破壞形態(tài)的最重要的因素?？刂萍艨绫燃纯刂浦鶅舾吲c柱截面肢長(zhǎng)之比。由于異形柱的抗剪性能差，選擇異形柱截面時(shí)，為避免出現(xiàn)短柱，控制>4，亦即>2。

4.2 軸壓此的限定

軸壓比是指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比。即 。它是影響柱破壞形態(tài)和變形能力的另一個(gè)重要因素。有關(guān)研究結(jié)果表明：軸壓比對(duì)異形柱的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)普通矩形柱的影響，為保證異形柱的延性，必須嚴(yán)格控制軸壓比，柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，并應(yīng)滿(mǎn)足抗震要求，同時(shí)避免長(zhǎng)細(xì)比小于4的短柱。由于異形柱的截面積比具有相同抗彎剛度的矩形柱小，因此用矩形柱替換后計(jì)算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱。而異形柱的軸壓比的限值在規(guī)范中又無(wú)詳細(xì)規(guī)定，考慮到異形框架柱的抗扭、抗震性能較差，一般認(rèn)為，設(shè)計(jì)中應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的軸壓比限值減少0．05選用。

4.3 主筋配筋率及配箍率的調(diào)整

軸壓比控制值的調(diào)整，使計(jì)算得出的矩形柱配筋值一般均較小，用于異形柱截面配筋時(shí)比值應(yīng)予以放大?？紤]到異形柱自身的受力特點(diǎn)，把柱縱向鋼筋的最小總配筋率限值提高0．1%。另外由于異形柱較普通柱易于開(kāi)裂的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)以普通框架柱的構(gòu)造體積配箍率0．8%～1．2%為依據(jù)，異形柱的配箍率取其上限，并且配箍形式選用矩形復(fù)合箍筋。

4.4 抗震調(diào)整系數(shù)的選取

考慮地震作用組合的異形柱，其截面承載力應(yīng)除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)。對(duì)于正截面承載能力，取 0．8；對(duì)于斜截面承載力取 0．85。

5 異形柱結(jié)構(gòu)提高延性、防止粘結(jié)破壞的措施

試驗(yàn)研究結(jié)果表明：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。軸壓比、高寬比(即柱凈高與截面長(zhǎng)邊尺寸之比)、箍筋間距與縱筋直徑比s/d、箍筋直徑d、荷載角。是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的重要因素。作為異形柱延性的保證措施，必須嚴(yán)格控制軸壓比，同時(shí)，高寬比不宜小于4(短柱)、不應(yīng)小于3。《規(guī)程》根據(jù)s/d，d，和抗震等級(jí)確定，例如，對(duì)s／d=5(如s=100mm，d=20mm)，箍筋直徑d＝8mm，抗震等級(jí)為三級(jí)的L形截面，其軸壓比限值為0.55，而普通矩形柱框架可達(dá)0.9?？梢?jiàn)，異形柱軸壓比比矩形柱嚴(yán)格得多。

由于異形柱的肢厚都很小，往往同框架梁的寬度——樣寬，所以，它對(duì)梁縱筋的錨固能力比普通矩形柱差。因此，異形柱結(jié)構(gòu)框架梁貫通中柱的縱向鋼筋直徑要求不應(yīng)大于該縱筋方向柱肢高的1/30，而普通矩形柱框架的要求僅為1/20。從避免出現(xiàn)短柱的角度來(lái)說(shuō)，異形柱的肢高短一些為好。但是，從框架節(jié)點(diǎn)對(duì)受力縱筋的錨固粘結(jié)來(lái)說(shuō)，又要求肢高稍長(zhǎng)-點(diǎn)為好。所以，兼顧兩個(gè)方面的原因，實(shí)際采用的柱肢高-般在500～700mm之間，既可以解決梁縱筋直徑可在16～22mm(柱肢高的1/30)之間選用的構(gòu)造要求，又可解決避免出現(xiàn)短柱的要求。

結(jié)束語(yǔ)：

異形柱框架結(jié)構(gòu)雖然在結(jié)構(gòu)上存在一定的缺陷，但有其存在的市場(chǎng)價(jià)值，在工程實(shí)踐中也的確經(jīng)常被使用。所以我們應(yīng)該在掌握其受力特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解其結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確地運(yùn)用電算結(jié)果，滿(mǎn)足規(guī)范要求的各種構(gòu)造措施，才能夠保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有可靠的安全度。