文/程鴻超 光明地產(chǎn)集團(tuán)上海明旺房地產(chǎn)有限公司 上海 200000

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的異形柱節(jié)點受力特點探討

文/程鴻超 光明地產(chǎn)集團(tuán)上海明旺房地產(chǎn)有限公司 上海 200000

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中異形柱節(jié)點受力特點的研究和分析要以實際的實驗結(jié)果作為基礎(chǔ)，而準(zhǔn)確進(jìn)行異形柱節(jié)點分類是前提，針對性的進(jìn)行節(jié)點受力性能的分析，精準(zhǔn)的給出節(jié)點抗剪承載力的計算方法，科學(xué)的總結(jié)影響因素并合理化建議，下面我們就從相關(guān)單位的軸壓比、節(jié)點核心區(qū)配箍率、柱截面高度變化等因素對抗剪承載力的影響做具體分析。

異形柱；節(jié)點特性；受力分析；抗剪承載力

1、異形柱節(jié)點分類的原則

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常把梁與柱的交匯區(qū)定位為節(jié)點。節(jié)點可以對荷載力進(jìn)行有效傳導(dǎo)，承接的傳導(dǎo)范圍是所屬的本層和上層荷載和作用（例如地震）傳遞到下層柱中。節(jié)點核心區(qū)作用力復(fù)雜，影響因素較多。只有與節(jié)點連接的構(gòu)件滿足受力要求，才能保證結(jié)構(gòu)安全。

2、異形柱節(jié)點受力機(jī)理分析及計算公式

2.1 異形柱節(jié)點受力機(jī)理分析

要研究異形柱節(jié)點受力的機(jī)理，應(yīng)確定異型節(jié)點破壞的集中區(qū)域，我們將其稱為 “小核心”,研究時要細(xì)化精分，科學(xué)定位。常規(guī)節(jié)點存在斜壓桿、桁架和約束機(jī)構(gòu)3種傳力機(jī)構(gòu)，異型節(jié)點“小核心”與此相同，不同點在于受梁端正反向加載時受力不對稱，使壓桿、桁架和約束機(jī)構(gòu)的作用大小和常規(guī)節(jié)點有所差異，但作用都是此消彼長,傳力機(jī)構(gòu)承擔(dān)的剪力變化影響定量計算,為此我們將異型節(jié)點的抗剪能力分解為“小核心”混凝土抗剪能力和箍筋抗剪能力兩部分, 綜合得出可用于工程設(shè)計的異型節(jié)點抗剪承載力公式。

2.2 異形柱節(jié)點抗剪承載力計算公式

（1）當(dāng)處于無地震作用組合

（2）當(dāng)處于有地震作用組合

在實際應(yīng)用計算中節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力應(yīng)符合下列標(biāo)準(zhǔn)：

（1） 當(dāng)處于無地震作用組合

（2） 當(dāng)處于有地震作用組合

式中：

N—與地震作用組合或有地震作用組合的節(jié)點剪力設(shè)計值對應(yīng)的該節(jié)點上柱底部軸向力設(shè)計值，當(dāng)N為壓力且當(dāng)N＞0.3fcA時，取N=0.3fcA；當(dāng)N為拉力時，取0字符N=0；ζN—軸壓比影響系數(shù)；ζh—截面高度影響系數(shù)；ζf—翼緣影響系數(shù)。

2.3 試驗研究和計算分析結(jié)果

節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力低于同等條件下矩形柱框架節(jié)點的抗剪承載力是異形柱框架結(jié)構(gòu)的短板部分，在節(jié)點承載力計算公式里要考慮翼緣的有利作用，無論是寬度還是厚度都要規(guī)范合理，保證節(jié)點組合體的延性需求，還可采取梁（水平）加腋增加節(jié)點有效截面面積，提高節(jié)點區(qū)材料強(qiáng)度，局部采用鋼纖維混凝土作為材料，再有就是梁塑性鉸外移，以上的這些辦法有待深入的研究和改良。

3、異形柱節(jié)點抗剪能力的受控因素

3.1 軸壓比的影響

軸壓力使節(jié)點核心區(qū)抗初裂能力提高,柱的受壓區(qū)面積增大，斜壓桿的寬度增加,同時參與斜壓桿機(jī)構(gòu)的混凝土面積增大, 從而導(dǎo)致梁筋在給節(jié)點核心混凝土進(jìn)行邊緣剪力傳遞時把更多的部分匯入了斜壓桿機(jī)構(gòu), 邊緣剪力的分流降低了對節(jié)點核心混凝土開裂的影響，另外,主斜裂縫與水平方向的角度也隨軸壓力的提高而增大。軸壓力也使節(jié)點核心區(qū)的混凝土受到較強(qiáng)的累積損傷效應(yīng), 利弊相抵，軸壓力對節(jié)點的通裂和極限荷載提高不明顯。

3.2 節(jié)點核心配箍率的影響

箍筋的質(zhì)量和配箍率對節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力影響很大，但初裂剪力并不能讓箍筋產(chǎn)生較大的反抗，因為初裂時節(jié)點剪力 Vj受控于混凝土的抗拉強(qiáng)度，只有形成裂縫之時，箍筋將受到較大的剪力作用，甚至難以支持，此時桁架機(jī)構(gòu)產(chǎn)生作用，箍筋有效地進(jìn)行節(jié)點剪力的抵抗。

3.3 柱截面高度變化的影響

截面是力的承受區(qū)域，異型中節(jié)點核心區(qū)域有上下柱截面和左右梁截面，由于截面面積位置不同會對節(jié)點核心開裂造成影響。初始期裂縫出現(xiàn)位置在節(jié)點“小核心”區(qū)域,由此可以導(dǎo)致初裂荷載降低，幅度在30%左右,對通裂荷載影響不大。因此常規(guī)節(jié)點與異型節(jié)點相比，通裂后節(jié)點核心對節(jié)點剪力的持續(xù)增長仍具有很高的承擔(dān)能力。

4、異形柱設(shè)計的合理化建議

4.1 縱向鋼筋和箍筋需合理配比

在實際設(shè)計中，HRB400、HRB335級鋼筋適合用于處于縱向受力狀態(tài)的鋼筋；箍筋通常為HRB335、HRB400、HPB235級別的鋼筋。當(dāng)處于相同受力截面時要求縱向受力鋼筋直徑相同,直徑范圍在14mm到25mm之間。異形柱內(nèi)折角部位采用縱向受力鋼筋?？v向鋼筋間距設(shè)計要求：對于Ⅱ、Ⅲ級抗震等級設(shè)計要求不大于200mm；對于Ⅳ級設(shè)計要求不大于250mm；對于非抗震設(shè)計情況下應(yīng)不大于300mm。要根據(jù)實際設(shè)計要求具體確定縱向受力鋼筋的間距，如果有不能滿足上述幾種情況的要求時，要設(shè)置直徑不應(yīng)小于12mm的縱向構(gòu)造鋼筋和間距與箍筋相同的拉筋以保證達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。異形柱設(shè)計中不許采用有內(nèi)折角的箍筋，要采用復(fù)合箍筋的形式。對于非抗震設(shè)計，異形柱的箍筋直徑設(shè)計要求為不小于0.25d(d為縱向受力鋼筋的最大直徑)，且不應(yīng)小于6mm；要求箍筋間距不大于250mm，但是要保證不大于柱肢厚度和15d(d為縱向受力鋼筋的最小直徑)；與此同時還要考慮受力鋼筋的配筋率對箍筋直徑的影響，在柱中縱向受力鋼筋總體的配筋率在3%以上時，箍筋直徑設(shè)置為不小于8mm，間距設(shè)置為不大于200mm，并且要保證不大于1Od(d為縱向受力鋼筋的最小直徑)；而此時箍筋肢距確定標(biāo)準(zhǔn)為不大于300mm。

在實際設(shè)計時，針對異形柱加密區(qū)箍筋的設(shè)置要注意以下幾點：

①對于剪跨比不大于2的柱和因設(shè)置填充墻等原因所導(dǎo)致柱凈高與柱肢截面高度之比不大于4時，我們在設(shè)計過程中，這兩種柱箍筋沒有全長加密。

②在Ⅲ、Ⅳ級抗震設(shè)計要求下，對箍筋加密區(qū)最大間距有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中之一是“應(yīng)小于等于縱向鋼筋直徑的7倍”。所以我們在設(shè)計時，如果出現(xiàn)縱向鋼筋直徑為12mm或者14mm的情況，就要保證箍筋在加密區(qū)最大間距不超過84mm和98mm。針對當(dāng)前的規(guī)程，在對“縱向鋼筋”的解讀時有 “縱向受力鋼筋”和“縱向構(gòu)造鋼筋”兩種說法，我們在“箍筋間距與縱筋直徑之比s/d”中說的是 “縱向受力鋼筋”。而在現(xiàn)實當(dāng)中，我們要和當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門進(jìn)行溝通和審查，詳細(xì)說明，以免產(chǎn)生誤區(qū)。

4.2 對于節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力超限問題的建議

為了規(guī)避梁柱節(jié)點核心區(qū)受剪承載力不足的情況出現(xiàn)，根據(jù)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中5.3.5框架梁柱節(jié)點核心區(qū)組合的剪力設(shè)計值的計算公式（5.3.5-1、5.3.5-2、5.3.5-3、5.3.5-4） 進(jìn)行實際的操作，分步完成，大體步驟為：

①根據(jù)實際合理的對柱的計算高度進(jìn)行減小。

②增加處于梁柱節(jié)點位置梁的截面有效高度和截面高度。

③對節(jié)點左、右兩側(cè)梁端彎矩設(shè)計值合理的減小。

一般情況下柱布置之時進(jìn)行柱子的轉(zhuǎn)角，可以使我們用PKPM等一些設(shè)計軟件對結(jié)構(gòu)建模分析的時候，達(dá)到操作方便和減小截面類型的目的，要根據(jù)原截面定義時的方向檢測超限方向，不能單一的以某個節(jié)點不出現(xiàn)超限為主體進(jìn)行設(shè)計，要宏觀控制，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置、梁柱截面合理的把握結(jié)構(gòu)整體剛度分布，務(wù)必保證均勻性。

4.3 對軸壓比限值的分析

與矩形柱相比，對單調(diào)荷載，尤其是在低周反復(fù)荷載作用下，異形柱的粘結(jié)破壞嚴(yán)重性較高，而且比普通矩形柱延性要差，在天津《規(guī)程》里根據(jù)剪跨比，結(jié)構(gòu)體系，截面類型、箍筋間距與筋直徑比s/d、箍筋直徑d和抗震等級確定波動區(qū)間為0.3～0.7。在實際應(yīng)用當(dāng)中，我們應(yīng)在程序試算后，對各柱的軸壓比按照上述的條件綜合確定其具體限值，要保證各層柱的軸壓比不超限，仔細(xì)對配筋簡圖每一個計算軸壓比進(jìn)行核檢。在此過程中要采用人工的核算方式，一一核算。對于實際設(shè)計過程中出現(xiàn)的柱截面高度與寬度的比值不大于4而柱截面寬度為200mm如：700mm×200mm的一字形矩形柱，其截面類型延性較弱，要結(jié)合短肢剪力墻和異形柱的規(guī)定，更嚴(yán)格的確定其軸壓比。

結(jié)論：

在實際應(yīng)用過程中，我們對地震區(qū)節(jié)點受剪承載力計算公式的定位要準(zhǔn)確合理，不要簡約大概的模式與思維，要針對可能出現(xiàn)的問題和工程實際，合理分析，科學(xué)設(shè)計，有以下幾點需要注意：

（1）當(dāng)異形柱框架結(jié)構(gòu)處于不對稱情況時，要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)對其受力的影響；

（2）合理的分析異形柱框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性變化；

（3）根據(jù)實際情況考慮，設(shè)置抗震墻，要合理適量；

（4）開發(fā)更實用性的軟件，應(yīng)用于異形柱框架結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計方面。

[1]黃明智.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的異形柱節(jié)點受力特點分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，建筑科學(xué)，2012（05）,206.

[2]劉祖強(qiáng).型鋼混凝土異形柱框架抗震性能及設(shè)計方法研究[J].西安科技大學(xué)，博論，2012（05）.

[3]中國建筑科學(xué)研究院高層建筑技術(shù)開發(fā)部?進(jìn)一步提高多層及高層結(jié)構(gòu)設(shè)計程序.(建筑結(jié)構(gòu)).