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【摘要】本文详细阐述了异形柱框架的受力特点,对设计实际工程中异形柱结构的分析计算、构造措施等方面进行了探讨,并给出一个工程设计实例,以供参考。
【关键词】异形柱;框架
Analysis structural design of special-shaped columns
Chen Chang-yang
(Beijing Zhonghua Construction Planning and Design Institute Co., Ltd. Anhui BranchHefeiAnhui230001)
【Abstract】The laboratory's internal audit work and other internal quality control activities are organically combined, not to let the laboratory quality management system a mere formality.
【Key words】Internal Audit; Quality Management
1. 前言
随着人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高,从而对建筑设计布局有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔己越来越不能被房屋使用者所接受,因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题,因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱。
在此,与广大设计人员共同探讨一下混凝土异形柱框架结构的设计与应用。
2. 异形柱结构的设计与应用
2.1异形柱及异形柱结构的定义。
2.1.1《混凝土异形柱结构技术规程》(GJ149-2006)对异形柱的定义是:截面几何形状为L形、T形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比(柱肢截面高度与厚度的比值)不大于4的柱。L形截面柱多用于墙的转角部位,T形和十字形截面柱多用于纵横墙交接处。
2.1.2所谓异形柱框轻结构即是由异形(T型、L型、十字型)柱组成框架,由轻质填充墙所形成的结构。根据建筑布置及结构受力的需要,异形柱结构中的框架柱,可全部采用异形柱,也可部分采用一般框架柱。建设部在1996年11月发布的《住宅产业现代化试点技术发展要点》文件中,对其特点做了如下阐述:(1)由T形边柱、十字形中柱、L形角柱组成的框架:(2)填充墙与柱壁同厚,室内不出现柱楞:(3)因墙体减薄与砖混结构相比,可增加使用面积8%～10%;(4)填充墙的墙体材料可根据当地保温隔热要求,因地制宜,就地取材。
2.2异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计中的差异。
2.2.1对于相同烈度和结构类型的两种体系而言,异形柱结构适用的房屋最大高度、高宽比有较大幅度的降低。
2.2.2对于相同结构类型的两种体系而言,异形柱结构弹性层间位移角限值、弹塑性层间位移角限值更加严格一些。
2.2.3钢筋混凝土房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。对于相同烈度和结构类型的两种体系而言,异形柱结构抗震等级的确定方法更加严格一些,其在房屋高度的取值上降低了数值。
2.2.4抗震设计时,扭转不规则的异形柱结构,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的比值不应大于1.45;而矩形柱框架结构的该比值为1.50。
2.2.5抗震设计时,对于相同结构类型的两种体系而言,异形柱的轴压比限值由《异规》表6.2.2可见均有不同幅度的降低,意味着其要求更加严格。
2.2.6异形柱结构的地震作用计算,一般情况下,应允许在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担,7度(0.15g)及8度,(0.20g)时尚应对与主轴成方向进行补充验算。
2.2.7异形柱结构的混凝土强度等级不应低于C25,且不高于C50。这是由于由于异形柱截面尺寸薄,砼强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求;C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少。
2.2.8异形柱结构中的异形柱应按双偏压计算;异形柱同一截面内,纵向受力钢筋宜采用相同直径,其直径不应小于14mm,且不应大于25mm。
2.2.9抗震设计时,异形柱结构不应采用多塔、连体和错层等复杂结构形式,也不应采用单跨框架结构。
2.3异形柱框架结构在SATWE中的设计与应用
能够有效地分析带有混凝土异形柱的结构并进行截面配筋设计,这是SATWE软件的特点之一。在梁的刚度、荷载、及截面配筋计算时,充分考虑了异形柱框架结构的特殊性。由于混凝土异形柱的柱肢较长,梁、柱在节点处的重叠部分较大,合理的力学模型简化应将重叠部分作为刚域,自重计算时不应重复计算重叠部分的混凝土重量,SATWE软件中对梁考虑了这样的力学模型简化:
2.3.1梁的计算按扣除刚域后的梁长计算:
2.3.2梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算;
2.3.3截面设计按扣除刚域后的梁长计算;
2.3.4梁端刚域的计算原则如下:
记梁两端与柱的重叠部分长分别为Di和Dj,梁长为L(即两端节点问的距离),梁高为H,则梁两端的刚域的长度分别为
Dbi=Ma×(0,Di H/4)
Dbj=Ma×(0,Dj-H/4)
扣除刚域后的梁长为:LO=L-(Dbi+Dbj) 转
2.4异形柱结构构造的设计心得
2.4.1《异规》第6.1.3条规定,异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm。当节点的非弹性变形较大时,贯穿节点的柱纵向钢筋粘结退化与滑移加剧,甚至出现沿节点区柱纵向钢筋全长粘结破坏、现象发生。为保证其粘结应力不致过大,避免上述现象出现,规定梁的高度、即节点高度不能太小。异形柱结构框架节点钢筋粘结条件可能不如普通框架节点钢筋粘结条件,故务必遵守此条规定。
2.4.2《异规》第6.1.3条规定,异形柱截面的肢厚不应小于200mm,肢高不应小于500mm。这是因为肢厚较小时,会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足,故限制肢厚不应小于200mm,以保证结构的安全及施工的方便。而限制肢高一方面为了满足伸入柱内的梁纵向钢筋锚固长度,另一方面是考虑柱双向正截面承载力要求和双向受剪性能的要求。
2.4.3《异规》第6.3.5.1条规定,抗震设计时,对二、三级抗震等级,贯穿中柱的梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱肢截面高度hc的1/30,当混凝土的强度等级为C40及以上时可取1/25,且纵向钢筋直径不应大干25mm。
矩形柱框架的框架梁纵向钢筋伸入节点后,其相对保护层一般能满足,而异形柱的c/d大部分仅为2.0左右,根据变形钢筋粘结锚固强度公式分析对比可知,后者的粘结能力约为前者的0.7。为此,规定抗震设计时,梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱截面高度的1/30。由于粘结锚固强度随混凝土强度的提高而提高,当采用混凝土强度等级在C40以上时,可放宽到1/25。
2.4.4《异规》第6.3.5.4条及表6.3.5给出了异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。这比《抗规》第6.3.3条规定的梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%要严格。这是因为,在地震作用组合内力作用下,梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉,另一侧受压,对于异形柱框架梁柱节点更易引起纵向钢筋在节点核心区的锚固破坏。为保证梁支座截面有足够的延性,设计时不考虑纵向钢筋的受压作用。为此,对二、三级抗震等级的框架梁可根据单筋梁满足的条件来确定梁纵向受拉钢筋最大配筋率。以C30混凝土,HRB335钢应的混凝土强度等级和钢筋级别得出的。
2.4.5异形柱全部纵向受力钢筋的配筋率,抗震设计时不应大于3%,,非抗震设计时不宜大于4%;抗震设计时不应大于3%;这是因为异形柱肢厚有限,柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差,故将纵向受力钢筋的总配筋率由对矩形柱不大于5%降为不应大于3%,以减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难。
3. 构造措施
异形柱的受力情况复杂,结构延性相对较差,单纯依靠目前的程序计算配筋尚难满足结构抗震的延性要求,因此必须加强构造措施,从概念出发,保证结构具有足够的安全度。
3.1结构平面布置。
异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系,根据结构平面布置和受力特点,可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式,特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置宜使结构平面刚度均匀对称,尽量控制或减小扭转效应:竖向布置注意体型力求简单规则,避免过大的外挑内收,避免楼层刚度沿竖向突变;柱网尺寸不易过大,一般不超过6m,柱矩大梁高也大,一方面建筑净空难以满足要求,另一方面柱承受的轴力也大,轴压比高,于抗震不利。为保证梁板对异形柱节点的约束,宜采用现浇楼盖。
3.2轴压比及柱配筋
对于柱而言,控制其延性的因素很多,不管对矩形柱还是异形柱,轴压比无疑是最重要的控制条件之一,其侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降,对异形柱更应从严控制。这可以通过控制柱距、采用轻质墙体、优化结构平面布置改善。柱肢端承受梁传来的集中荷载,局部压应力大,可设置暗柱。曹万林等《钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析》表明:带暗柱异形柱与普通异形柱相比,承载力及延性和耗能能力有显著提高。
异形柱截面的剪力中心与截面形心不重合,剪应力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪压构件出现裂缝,产生腹剪破坏,导致柱脆性显著,延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出现单纯翼缘受压,此时柱的延性最差,因此需要进一步提高异形柱的抗剪能力。除此之外,尽量避免短柱的出现,对剪跨比小的短柱要采取相应的加强措施,以免形成薄弱环节。
3.3节点构造
节点已经成为异形柱结构的薄弱环节,考虑到节点处钢筋的锚固以及保证节点区混凝土浇筑的质量,柱钢筋数量不宜过多且直径不宜过大。异形柱结构的楼梯间、电梯井应根据建筑布置及结构抗侧作用的需要,合理地布置剪力墙或一般框架柱。
4. 工程实例
4.1工程概况。
蚌埠市怀远乳泉山庄某住宅楼长46.2m,宽12.0m,建筑面积2265.2m2左右,其上四加一层为住宅,层高2.9m,最高建筑高度为15.2m,该工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g,设计地震分组为第一组,场地类别Ⅱ类。采用异形柱框架结构,异形柱框架抗震等级为三级。采用SAIWE程序分析,各层间位移角满足规范对层间位移的规定;同时重视抗震概念设计,加强构造措施。
4.2设计心得。
4.2.1在设计该结构时,最初将混凝土强度等级定为C25,但是计算得到的异形柱轴压比超过规范规定限制。为满足异形柱轴压比,最终将柱的混凝土强度等级从±-0.100m以下全部改为C30。
4.2.2框架梁截面的选择比个别普通框架结构的稍大,以满足《异规》第6.3.5.4条及表6.3.5给出了异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。
通过该结构的设计,本人意识到为保证结构安全,结构构造在整个设计过程中起着非常重要的作用。尤其对于异形柱结构而言,实际上是梁柱节点域的设计。
5. 结语
异形柱结构具有广阔的应用前景,但其受力性能具有自己的独特性,在设计中根据其受力特点,充分了解其破坏机理,选用合理的柱网布置形式,正确掌握计算机分析方法加上人为分析,合理选择截面尺寸及配置截面钢筋,使结构具有可靠的安全保证。
参考文献
[1]《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ 149-2006
[2]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
[4]《混凝土结构工程施工质量验收规范》 GB50204
[文章编号]1006-7619(2009)09-29-920
【关键词】异形柱;框架
Analysis structural design of special-shaped columns
Chen Chang-yang
(Beijing Zhonghua Construction Planning and Design Institute Co., Ltd. Anhui BranchHefeiAnhui230001)
【Abstract】The laboratory's internal audit work and other internal quality control activities are organically combined, not to let the laboratory quality management system a mere formality.
【Key words】Internal Audit; Quality Management
1. 前言
随着人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高,从而对建筑设计布局有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔己越来越不能被房屋使用者所接受,因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题,因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱。
在此,与广大设计人员共同探讨一下混凝土异形柱框架结构的设计与应用。
2. 异形柱结构的设计与应用
2.1异形柱及异形柱结构的定义。
2.1.1《混凝土异形柱结构技术规程》(GJ149-2006)对异形柱的定义是:截面几何形状为L形、T形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比(柱肢截面高度与厚度的比值)不大于4的柱。L形截面柱多用于墙的转角部位,T形和十字形截面柱多用于纵横墙交接处。
2.1.2所谓异形柱框轻结构即是由异形(T型、L型、十字型)柱组成框架,由轻质填充墙所形成的结构。根据建筑布置及结构受力的需要,异形柱结构中的框架柱,可全部采用异形柱,也可部分采用一般框架柱。建设部在1996年11月发布的《住宅产业现代化试点技术发展要点》文件中,对其特点做了如下阐述:(1)由T形边柱、十字形中柱、L形角柱组成的框架:(2)填充墙与柱壁同厚,室内不出现柱楞:(3)因墙体减薄与砖混结构相比,可增加使用面积8%～10%;(4)填充墙的墙体材料可根据当地保温隔热要求,因地制宜,就地取材。
2.2异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计中的差异。
2.2.1对于相同烈度和结构类型的两种体系而言,异形柱结构适用的房屋最大高度、高宽比有较大幅度的降低。
2.2.2对于相同结构类型的两种体系而言,异形柱结构弹性层间位移角限值、弹塑性层间位移角限值更加严格一些。
2.2.3钢筋混凝土房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。对于相同烈度和结构类型的两种体系而言,异形柱结构抗震等级的确定方法更加严格一些,其在房屋高度的取值上降低了数值。
2.2.4抗震设计时,扭转不规则的异形柱结构,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的比值不应大于1.45;而矩形柱框架结构的该比值为1.50。
2.2.5抗震设计时,对于相同结构类型的两种体系而言,异形柱的轴压比限值由《异规》表6.2.2可见均有不同幅度的降低,意味着其要求更加严格。
2.2.6异形柱结构的地震作用计算,一般情况下,应允许在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担,7度(0.15g)及8度,(0.20g)时尚应对与主轴成方向进行补充验算。
2.2.7异形柱结构的混凝土强度等级不应低于C25,且不高于C50。这是由于由于异形柱截面尺寸薄,砼强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求;C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少。
2.2.8异形柱结构中的异形柱应按双偏压计算;异形柱同一截面内,纵向受力钢筋宜采用相同直径,其直径不应小于14mm,且不应大于25mm。
2.2.9抗震设计时,异形柱结构不应采用多塔、连体和错层等复杂结构形式,也不应采用单跨框架结构。
2.3异形柱框架结构在SATWE中的设计与应用
能够有效地分析带有混凝土异形柱的结构并进行截面配筋设计,这是SATWE软件的特点之一。在梁的刚度、荷载、及截面配筋计算时,充分考虑了异形柱框架结构的特殊性。由于混凝土异形柱的柱肢较长,梁、柱在节点处的重叠部分较大,合理的力学模型简化应将重叠部分作为刚域,自重计算时不应重复计算重叠部分的混凝土重量,SATWE软件中对梁考虑了这样的力学模型简化:
2.3.1梁的计算按扣除刚域后的梁长计算:
2.3.2梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算;
2.3.3截面设计按扣除刚域后的梁长计算;
2.3.4梁端刚域的计算原则如下:
记梁两端与柱的重叠部分长分别为Di和Dj,梁长为L(即两端节点问的距离),梁高为H,则梁两端的刚域的长度分别为
Dbi=Ma×(0,Di H/4)
Dbj=Ma×(0,Dj-H/4)
扣除刚域后的梁长为:LO=L-(Dbi+Dbj) 转
2.4异形柱结构构造的设计心得
2.4.1《异规》第6.1.3条规定,异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm。当节点的非弹性变形较大时,贯穿节点的柱纵向钢筋粘结退化与滑移加剧,甚至出现沿节点区柱纵向钢筋全长粘结破坏、现象发生。为保证其粘结应力不致过大,避免上述现象出现,规定梁的高度、即节点高度不能太小。异形柱结构框架节点钢筋粘结条件可能不如普通框架节点钢筋粘结条件,故务必遵守此条规定。
2.4.2《异规》第6.1.3条规定,异形柱截面的肢厚不应小于200mm,肢高不应小于500mm。这是因为肢厚较小时,会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足,故限制肢厚不应小于200mm,以保证结构的安全及施工的方便。而限制肢高一方面为了满足伸入柱内的梁纵向钢筋锚固长度,另一方面是考虑柱双向正截面承载力要求和双向受剪性能的要求。
2.4.3《异规》第6.3.5.1条规定,抗震设计时,对二、三级抗震等级,贯穿中柱的梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱肢截面高度hc的1/30,当混凝土的强度等级为C40及以上时可取1/25,且纵向钢筋直径不应大干25mm。
矩形柱框架的框架梁纵向钢筋伸入节点后,其相对保护层一般能满足,而异形柱的c/d大部分仅为2.0左右,根据变形钢筋粘结锚固强度公式分析对比可知,后者的粘结能力约为前者的0.7。为此,规定抗震设计时,梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱截面高度的1/30。由于粘结锚固强度随混凝土强度的提高而提高,当采用混凝土强度等级在C40以上时,可放宽到1/25。
2.4.4《异规》第6.3.5.4条及表6.3.5给出了异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。这比《抗规》第6.3.3条规定的梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%要严格。这是因为,在地震作用组合内力作用下,梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉,另一侧受压,对于异形柱框架梁柱节点更易引起纵向钢筋在节点核心区的锚固破坏。为保证梁支座截面有足够的延性,设计时不考虑纵向钢筋的受压作用。为此,对二、三级抗震等级的框架梁可根据单筋梁满足的条件来确定梁纵向受拉钢筋最大配筋率。以C30混凝土,HRB335钢应的混凝土强度等级和钢筋级别得出的。
2.4.5异形柱全部纵向受力钢筋的配筋率,抗震设计时不应大于3%,,非抗震设计时不宜大于4%;抗震设计时不应大于3%;这是因为异形柱肢厚有限,柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差,故将纵向受力钢筋的总配筋率由对矩形柱不大于5%降为不应大于3%,以减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难。
3. 构造措施
异形柱的受力情况复杂,结构延性相对较差,单纯依靠目前的程序计算配筋尚难满足结构抗震的延性要求,因此必须加强构造措施,从概念出发,保证结构具有足够的安全度。
3.1结构平面布置。
异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系,根据结构平面布置和受力特点,可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式,特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置宜使结构平面刚度均匀对称,尽量控制或减小扭转效应:竖向布置注意体型力求简单规则,避免过大的外挑内收,避免楼层刚度沿竖向突变;柱网尺寸不易过大,一般不超过6m,柱矩大梁高也大,一方面建筑净空难以满足要求,另一方面柱承受的轴力也大,轴压比高,于抗震不利。为保证梁板对异形柱节点的约束,宜采用现浇楼盖。
3.2轴压比及柱配筋
对于柱而言,控制其延性的因素很多,不管对矩形柱还是异形柱,轴压比无疑是最重要的控制条件之一,其侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降,对异形柱更应从严控制。这可以通过控制柱距、采用轻质墙体、优化结构平面布置改善。柱肢端承受梁传来的集中荷载,局部压应力大,可设置暗柱。曹万林等《钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析》表明:带暗柱异形柱与普通异形柱相比,承载力及延性和耗能能力有显著提高。
异形柱截面的剪力中心与截面形心不重合,剪应力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪压构件出现裂缝,产生腹剪破坏,导致柱脆性显著,延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出现单纯翼缘受压,此时柱的延性最差,因此需要进一步提高异形柱的抗剪能力。除此之外,尽量避免短柱的出现,对剪跨比小的短柱要采取相应的加强措施,以免形成薄弱环节。
3.3节点构造
节点已经成为异形柱结构的薄弱环节,考虑到节点处钢筋的锚固以及保证节点区混凝土浇筑的质量,柱钢筋数量不宜过多且直径不宜过大。异形柱结构的楼梯间、电梯井应根据建筑布置及结构抗侧作用的需要,合理地布置剪力墙或一般框架柱。
4. 工程实例
4.1工程概况。
蚌埠市怀远乳泉山庄某住宅楼长46.2m,宽12.0m,建筑面积2265.2m2左右,其上四加一层为住宅,层高2.9m,最高建筑高度为15.2m,该工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g,设计地震分组为第一组,场地类别Ⅱ类。采用异形柱框架结构,异形柱框架抗震等级为三级。采用SAIWE程序分析,各层间位移角满足规范对层间位移的规定;同时重视抗震概念设计,加强构造措施。
4.2设计心得。
4.2.1在设计该结构时,最初将混凝土强度等级定为C25,但是计算得到的异形柱轴压比超过规范规定限制。为满足异形柱轴压比,最终将柱的混凝土强度等级从±-0.100m以下全部改为C30。
4.2.2框架梁截面的选择比个别普通框架结构的稍大,以满足《异规》第6.3.5.4条及表6.3.5给出了异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。
通过该结构的设计,本人意识到为保证结构安全,结构构造在整个设计过程中起着非常重要的作用。尤其对于异形柱结构而言,实际上是梁柱节点域的设计。
5. 结语
异形柱结构具有广阔的应用前景,但其受力性能具有自己的独特性,在设计中根据其受力特点,充分了解其破坏机理,选用合理的柱网布置形式,正确掌握计算机分析方法加上人为分析,合理选择截面尺寸及配置截面钢筋,使结构具有可靠的安全保证。
参考文献
[1]《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ 149-2006
[2]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
[4]《混凝土结构工程施工质量验收规范》 GB50204
[文章编号]1006-7619(2009)09-29-920