郭培成

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院,福建漳州 363105)

國外在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始研究L形、T形、十字形等異形柱的受力特性和力學(xué)性能,美國學(xué)者首次進(jìn)行了鋼筋混凝L形短柱的全過程受力分析，相對國內(nèi)提前了十年左右，為各國在異形柱結(jié)構(gòu)方面的研究發(fā)展提供了重要的依據(jù)。國內(nèi)率先開始研究異形柱結(jié)構(gòu)的是天津、廣東、山東、云南等地，陸續(xù)建設(shè)了大量的異形柱框架結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)的實(shí)際工程，并得到了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

框架結(jié)構(gòu)在室內(nèi)有凸出的柱子，影響了建筑觀瞻，為了解決該問題，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了異形截面柱。異形柱框架采用柱、梁、非承重墻等厚度(寬度)，解決了框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)柱角和梁邊外露、占據(jù)空間、影響美觀和使用的問題；另外住宅由于減少了框架柱的外露，增大了房間的有效使用而積(增大面積5 %～8 %)，因此，在相同建筑使用而積的條件下，異形柱框架住宅的單位面積造價低于普通框架和磚混住宅6 %～10 %。

1 異形柱框架結(jié)構(gòu)和PKPM結(jié)構(gòu)電算軟件

1.1 異形柱框架結(jié)構(gòu)的介紹

JGJ 149-2006《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》明確提出:異形柱指截面幾何形狀為L形、T形、十字形和一字形，且截面各肢的肢高與肢厚比不大于4的柱，其截面形式見圖1。

圖1 異形柱截面形式

1.2 PKPM結(jié)構(gòu)電算軟件介紹

軟件主要包括模形建立(主要建立梁、柱、板、承重墻的尺寸)、參數(shù)的設(shè)置(包括地震信息、風(fēng)荷載信息、總信息和配筋信息)、SATWE內(nèi)力計(jì)算和結(jié)果查看。計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和配筋的結(jié)果比較準(zhǔn)確，再結(jié)合設(shè)計(jì)者的合理修正，使其繪制結(jié)構(gòu)平面施工圖符合工程所用。本軟件可以處理二維平面(排架結(jié)構(gòu))、三維空間結(jié)構(gòu)、彈性時程分析和彈塑性時程分析、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析、人防設(shè)計(jì)等。

2 工程概況

本工程為北方某城市的一棟6層框架結(jié)構(gòu)，無地下室，一層為商業(yè)店面，其它層為居民住宅。建筑高度18.3 m,總建筑面積4 372.3 m2，結(jié)構(gòu)總高度17.6 m(異形柱框架在該條件下，最大適用高度18 m),該結(jié)構(gòu)高寬比2.65。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,地震分組第二組,基本風(fēng)壓0.50,基本雪壓0.40,建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別Ⅱ類，基礎(chǔ)形式獨(dú)立基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50，使用年限70年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)抗震等級均為三級。采用SATWE進(jìn)行三維空間計(jì)算,在水平地震作用下進(jìn)行計(jì)算分析。工程具體結(jié)構(gòu)平面布置見圖2(對稱結(jié)構(gòu)，僅畫出1/2)。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置

工程中L形、T形截面各肢的肢高肢厚比為700/200=3.5，600/200=3兩種。角部的L形角柱采用肢高肢厚比3.5，為了提高角部的延性(因?yàn)榻侵鶠殡p向偏心受壓構(gòu)件，延性相對較差，加大柱截面使其延性提高，降低破壞的程度)，其它部位的L形柱截面采用肢高肢厚比3；均小于異形柱結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的最大限值4，符合構(gòu)造要求；同時也滿足異形柱截面的肢厚要求不應(yīng)小于200 mm，肢高不應(yīng)小于500 mm的規(guī)定?？蚣芰悍謩e取b×h=200 mm×600 mm(分別布置在建筑物最外邊緣的四周)、b×h=200 mm×500 mm(布置在建筑物內(nèi)部),符合異形柱結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時梁高度不宜小于400 mm，梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4(即500/4=125 mm)和200 m；填充墻采用200 mm厚的多孔轉(zhuǎn)。本工程異形柱混凝土的強(qiáng)度等級一層、二層柱采用C30，其它層采用C25；梁、板混凝土的強(qiáng)度等級采用C25。結(jié)構(gòu)中框架柱和框架梁的縱筋均采用3級鋼筋(HRB400)，箍筋采用1級鋼筋(HPB300)；結(jié)構(gòu)樓板配筋采用1級鋼筋(HPB300)。

3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析比較

(1)延性：是指材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或構(gòu)件的某個截面從屈服開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。結(jié)構(gòu)除了要滿足承載力、正常使用，還要滿足在地震作用下的耗能能力，因此結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，延性做為一個重要指標(biāo)。

(2)體積配箍率：指單位體積混凝土內(nèi)箍筋所占的含量，即箍筋體積(箍筋總長乘單肢面積)與相應(yīng)箍筋的一個間距范圍內(nèi)混凝土體積的比率。體積配箍率主要用于保證框架結(jié)構(gòu)梁端部和柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗剪能力，并提高構(gòu)件在地震等反復(fù)荷載下的變形能力。

(3)軸壓比：軸壓比是指組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與墻柱全截面面積與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值。兩種結(jié)構(gòu)最大軸壓比均未超過規(guī)范規(guī)定限值，比較接近限值,延性都會明顯下降，尤其是框架結(jié)構(gòu)(單純抗側(cè)力體系)，為了避免延性下降過多,應(yīng)加大柱截面尺寸，尤其是角柱。本工程軸壓比中柱、邊柱、角柱最大值分別為0.62、0.57、0.55 ，為了提高延性將部分柱軸壓比較大的進(jìn)行截面修改，同時將一、二層框架柱混凝土標(biāo)號由C25提高到C30，使軸壓比相應(yīng)的降低到0.52、0.49、0.45(表1)；另外對框架柱的箍筋直徑和箍筋間距在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上有進(jìn)一步提高，使其體積配箍率提高。通過截面大小、混凝土標(biāo)號、體積配箍率三方面改善柱延性。

表1 異形柱的軸壓比限值

配筋率：是鋼筋混凝土構(gòu)件中縱向受力(拉或壓)鋼筋的面積與構(gòu)件的有效面積之比。配筋率過小會發(fā)生少筋破壞，過大則易發(fā)生超筋破壞，兩者均為脆性破壞，不符合延性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。本工程中個別中柱配筋率達(dá)到2.4 %,邊柱達(dá)到2.1 %,雖然滿足大于最小配筋率以及小于最大配筋率，但是按照初步配置,選16φ20、14φ22的鋼筋或兩種鋼筋組合，這樣導(dǎo)致鋼筋布置中，鋼筋的凈距無法滿足要求或鋼筋間距過小導(dǎo)致混凝土無法正常澆筑，影響混凝土質(zhì)量。因此在設(shè)計(jì)過程中，將個別L、T形柱截面由600 mm變?yōu)?00 mm。

另外，計(jì)算過程中，尤其是二層樓面框架梁，受到地震作用較大，導(dǎo)致內(nèi)力相對其它層變大較多，導(dǎo)致縱筋配筋率過大、受剪不滿足最小截面要求、受壓區(qū)高度超過規(guī)范規(guī)定的限制。因此為了不影響結(jié)構(gòu)的延性以及經(jīng)濟(jì)效果，將二層框架梁的混凝土標(biāo)號由原先的C25調(diào)整為C30，其它層仍不變；將原先的框架梁b×h=200 mm×500 mm調(diào)整為b×h=200 mm×600 mm(分別布置在建筑物最外邊緣的四周)、b×h=200 mm×450 mm調(diào)整為b×h=200 mm×500 mm(布置在建筑物內(nèi)部)。這樣第一保證了配筋率不至于過大，第二便于鋼筋布置，第三保證了混凝土的質(zhì)量，同時也使混凝土的相對受壓區(qū)高度比由原來的0.33變?yōu)?.24，滿足了規(guī)范的要求，保證了梁的延性(相對受壓區(qū)高度比：混凝土受壓區(qū)高度與截面有效高度高度之比。作用是為了防止將構(gòu)件設(shè)計(jì)成超筋構(gòu)件，要求構(gòu)件截面的相對受壓區(qū)高度不得超過其相對界限受壓區(qū)高度)。結(jié)合延性梁的設(shè)計(jì)要求，盡量控制配筋率的大小，改大梁截面，以減小梁配筋率，增大間距。

4 異形柱的構(gòu)造要求

為了避免短柱，異形柱要求柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比宜大于4；梁的凈跨與截面高度的比值不宜小于4；梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4和200 mm；異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200 mm，肢高不應(yīng)小于500 mm；異形柱的剪跨比宜大于2，抗震設(shè)計(jì)時不應(yīng)小于1.5，這一點(diǎn)為了保證異形柱有較好的延性和耗能；剪力墻的要求可以執(zhí)行相關(guān)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。

5 結(jié)束語

首先，滿足適用、美觀的情況下,承載力和經(jīng)濟(jì)效果也比較理想。其次，異形柱由于翼緣的作用，使其結(jié)構(gòu)的整體剛度較傳統(tǒng)的矩形框架增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移減少。最后，異形柱框架結(jié)構(gòu)由于柱肢較小，截面內(nèi)配筋較多，鋼筋凈距較小，扣除保護(hù)層厚度后有效核心區(qū)而積有限，鋼筋凈距較小，且異形柱結(jié)構(gòu)凹角多，有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。