2017年結構師基礎知識異形柱應用

　　【摘要】環(huán)球網校提醒：2017年結構師考試已進入備考階段。根據(jù)學員對異形柱應用的反饋，同時為進一步加深大家對異形柱應用的了解，環(huán)球網校老師為大家整理了“2017年結構師基礎知識異形柱應用”，希望對大家有所幫助。

　　異形柱在小高層住宅中的應用

　　無錫廣瑞花園小區(qū)工程位于無錫市廣勤路的北側。小區(qū)由8棟住宅樓組成，最低7層，最高11層。該地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計地震加速度為 0.05g，地震分組為第一組,Ⅲ類場地土;基本風壓為 0.45KN/m2;地下為1層聯(lián)體地下室，基礎采用梁板式筏基。該結構處在6度地震設防區(qū)，且房屋高度未超過34米，所以首先想到的結構形式是采用異形 柱框架結構。根據(jù)江蘇省地方標準《鋼筋混凝土異形柱框架結構技術規(guī)程》對軸壓比的控制要求的，適當?shù)脑黾恿硕讨袅Γ⒃陔娞蓍g的位置設置了剪力墻核心 筒。這種由異形柱、短肢剪力墻和電梯剪力墻核心筒形成的框架-剪力墻結構體系既解決了矩形柱影響住戶使用的問題，又形成了預防地震破壞的多道防線，從而有 效的保證了建筑物的安全。在地震烈度較低地區(qū)的小高層建筑，采用異形柱框架-剪力墻結構是一種安全、合理的結構方案。有效地控制構件的軸壓比，并通過對結 構不斷地優(yōu)化設計，最終能達到建筑功能、結構可靠合理、經濟合理等方面的和諧統(tǒng)一。

　　一、工程概況

　　無錫廣瑞花園小區(qū)工程位于無錫市廣勤路的北側。小區(qū)由8棟住宅樓組成，最低7層，最高11層。地下為1層聯(lián)體地下室，基礎采用梁板式筏基。該地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計地震加速度為 0.05g，地震分組為第一組，Ⅲ類場地土;基本風壓為 0.45KN/m2 。

　　二、上部結構選型及計算

　　考慮到在住宅樓中使用矩形柱將影響住戶的使用，該結構又處在6度地震設防區(qū)，且房屋高度未超過34米，所以首先想到的結構形式是采用異形柱框架結構。初 步試算時許多異形柱是不能滿足江蘇省地方標準《鋼筋混凝土異形柱框架結構技術規(guī)程》對軸壓比的控制要求的，而適當?shù)脑黾佣讨袅冉鉀Q了這個問題，又增 加了結構構件的延性;另外窗與窗之間的距離一般在1.0到1.4米之間，如果使用異形柱，從柱到窗邊10公分到30公分的距離就要用填充墻砌筑，而兩種不 同的材料會在后期的使用過程中出現(xiàn)裂縫，影響用戶正常使用，所以在此處使用短肢剪力墻也是必然的結果。從截面性質來看剪力墻延性最大，其次是短肢剪力墻， 異形柱最小，所以我們在電梯間的位置設置了剪力墻核心筒。之后通過對墻、柱布置和截面的優(yōu)化設計，結構在各種荷載作用下，其周期、層間位移、抗扭剛度等都 能很好地滿足規(guī)范規(guī)定的要求，各構件在外力的作用下都能充分發(fā)揮各自的潛能;基本保證了各異形柱的剛度均勻，軸壓比比較接近，而且異形柱都是構造配筋。這 種由異形柱、短肢剪力墻和電梯剪力墻核心筒形成的框架-剪力墻結構體系既解決了矩形柱影響住戶使用的問題，又形成了預防地震破壞的多道防線，從而有效的保 證了建筑物的安全。

　　三、設計中應注意的若干問題

　　1、異形柱的截面設計

　　1.1應避免使用“一”和“Z” 形柱截面。“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風荷載作用下還是在地震作用下結構中的柱一般都是同時受到兩個方向彎矩的同時作用，其受力 后正截面承載力很弱。“一”形柱在雙向剪力作用下性能也不好，由《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010柱雙向受剪承載力計算公式可見，柱截面相鄰兩邊長度 相差越多，其斜向受剪承載力越低。“Z”形截面柱與“一”形截面柱類似，即兩主軸方向抗彎能力相差甚大，如圖示。 其正截面受彎及雙向受剪性能與“一”形截面柱相差不多。

　　1.2 L、T、+形截面的兩個正交方向的肢長或肢厚可以不相等，但要滿足柱肢長度與柱肢厚度之比不大于4及柱凈高與柱截面肢長之比不小于3這兩條要求。如果，截 面一個肢長為800mm，若另一肢肢長小于500mm，則柱的雙偏壓計算表明，該柱的兩軸抵抗彎矩圖是一個很扁的橢圓，即兩軸的抵抗彎矩值相差很多，和 “一”形柱截面的情況很接近。

　　1.3 柱截面肢長不可過短，由于一般異形柱肢較薄(200mm或250mm)，再加上肢長較短，此時柱上節(jié)點核心區(qū)過小，節(jié)點的受剪承載力可能不足。

　　1.4 平面布局較為規(guī)則的異形柱結構要在結構的兩個主軸方向及與兩主軸呈45°方向應分別計算水平地震作用并進行抗震驗算，形柱截面主軸與結構主軸大致呈45°方向，對兩主軸呈45°方向計算水平地震作用并進行抗震驗算是應該和必要的。

　　1.5由于異形柱的兩個最為薄弱的環(huán)節(jié)是節(jié)點受剪承載力與柱的延性性能，而異形柱節(jié)點核心區(qū)箍筋間距在施工中不易保證，所以應在設計說明中強調保證異形柱節(jié)點核心區(qū)箍筋間距的問題。

　　2、框架梁截的設計

　　2.1 異形柱結構框架梁截面高度抗震設計時不應小于400mm，從而保證了節(jié)點核心區(qū)異形柱鋼筋粘結應力不致過大，避免節(jié)點區(qū)柱縱向鋼筋全長粘結破壞、現(xiàn)象發(fā)生。

　　2.2 應嚴格禁止框架梁搭在異形柱柱肢和剪力墻墻身的短邊方向，因為梁柱(墻)節(jié)點的核心區(qū)面積只有柱(墻)厚乘梁寬的范圍內，承受不了它受到的節(jié)點剪力，另外框架梁的水平錨固長度也很難滿足要求。

　　2.3 由于建筑隔墻一般為200mm厚，異形柱和框架梁一般也為200mm厚，框架梁縱筋穿越異形柱時要在柱縱筋內側通過，梁上下受力縱筋每層應只配兩根，以保證核心區(qū)混凝土的振搗質量和施工時的易操作性。且梁的縱筋直徑不應大于22mm。

　　2.4 短肢剪力墻截面高度與厚度之比為5～8，所以當短肢剪力墻做為樓面梁的中間支座時，梁的上部縱筋應在短肢剪力墻中貫通。如果短肢剪力墻兩側梁的上部縱筋直徑不同，則兩側梁的上部縱筋分別在短肢剪力墻中錨固，這樣對短肢墻在墻、梁節(jié)點處的受力是非常不利的。

　　四、剪力墻與異形柱結構受力分析與探討

　　1. 短肢剪力墻結構

　　對短肢剪力墻結構的設計計算，因其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結構分析相同，可采用三維桿-系簿壁柱空間分析方法或空間桿-墻組元分析方 法，其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況，精度較高。雖然三維桿系-簿壁柱空間分析程序使用較早、應用較廣，但對墻肢較長的短肢剪力墻，應該 用空間桿-墻組元程序進行校核。

　　在進行以上分析后，按《高層建筑結構設計與施工規(guī)范》進行截面與構造設計，相對于異形柱結構，短肢剪力墻結構的理論與實踐較為成熟，但這種結構在結構設計中仍然有需要引起重視的方面。

　　1.1短肢剪力墻結構的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當有扭轉效應時，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應加強其抗震構造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率。

　　1.2高層短肢剪力墻結構在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主，底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉剪力，由一些模型試驗反映出外周邊墻肢開裂，因 而對外周邊墻肢應加大厚度和配筋量，加強小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應在兩個方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢;

　　1.3各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時用長肢墻來調整剛度中心。

　　1.4高層結構中的連梁是一個耗能構件，在短肢剪力墻結構中，墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應在 計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調，使其設計內力降低，應按普通框架梁要求，控制混凝土壓區(qū)高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調幅70%-80%來解 決，按強剪弱彎，強柱弱梁的延性要求進行計算。

　　2.異形柱結構

　　異形柱結構是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，截面形式常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

　　這種結構的特點是：

　　①由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。

　?、趯τ陂L柱(H/h>4)可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱(H/h<4)，剪切變形占有相當 比例，構件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ(εcu為混凝土的極限壓應 變，χ為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。

　　③異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心混凝土協(xié)調變形和內力，這種變形協(xié)調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和 剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯。

　?、芴貏e是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內外大量的試驗資料和理論分析[1]，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小 偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：軸壓比、柱凈高與截面肢長比(剪跨比)，配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復 雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。

　　在進行異形柱結構設計時，除滿足高規(guī)中對結構布置要求外，還應注意幾個方面的問題：

　　(1)異形框架的計算

　　由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按混凝土設計 規(guī)范計算。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結構進行有限元分析，決定內力和配筋 位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件目前，國內可直接進行異形柱截面內力計算和截面設計的軟件有建研院的 TAT、SATWE程序。這些程序均用數(shù)值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經過大量工程校算，能有效地滿足結構安全性要求。

　　(2)軸壓比控制

　　對框架結構，框-剪結構，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響混凝土柱延性的一個關鍵指標。由試驗結構分析 [2]，柱的側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關 重要，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使混凝土柱肢先于普通矩形壓剪構件出現(xiàn)裂縫，產生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱 脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

　　在江蘇規(guī)程中對軸壓比有嚴格的要求。異形柱適用高度較低，一般為35 m。當高層建筑的高度進一步加大時，其水平力的影響會越來越顯著，對結構的延性要求也越高。為在實際工作中便于使用，可按不同的截面形式(L、T、十字 型)與不同的抗震等級兩項指標從嚴控制，對低烈度地區(qū)的這類結構是能夠滿足其延性要求的。

　　五、異形柱與短肢剪力墻共同使用的好處

　　1、結合建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構件，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。

　　2、異形柱和短肢剪力墻的數(shù)量可多可少，肢長可長可短，主要視抗側力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調整剛度中心的位置。

　　3、能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單。

　　4、連接各墻的梁，隨墻肢位置而設于間隔墻豎平面內，可隱蔽。

　　5、根據(jù)建筑平面的抗側剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側力構件，較易滿足剛度和強度要求。

　　6、由異形柱、短肢剪力墻和電梯(樓梯)間核心筒形成三道抗震設防。

　　六、結論

　　在地震烈度較低地區(qū)的小高層建筑，采用異形柱框架-剪力墻結構是一種安全、合理的結構方案。合理地控制構件的軸壓比，并通過對結構不斷地優(yōu)化設計，最終能達到建筑功能、結構可靠合理、經濟合理等方面的和諧統(tǒng)一。

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