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【摘要】通过对异形柱结构受力特点的分析和对规范的理解,从设计的角度论述了异形柱结构在设计中应引起注意的几点问题。
【关键词】异形柱结构;异形柱;构造
Some experiences on special-shaped columns of concrete structures
Huang Jin-qian
(Transportation Planning and Design Institute, Jiangsu ProvinceNanjingJiangsu210000)
【Abstract】Based on force characteristics of special-shaped column structure analysis and understanding of norms, from the design point of view discussed in the design of special-shaped column structure, attention should be given the points.
【Key words】Special-shaped column structure; Special-shaped column; Construction
前言、混凝土异形柱结构与混凝土矩形柱结构存在着许多共同点、同时也有各自的特点,本文从混凝土异形柱结构的设计角度,论述了异形柱结构在设计中应引起注意的几点问题。
1. 混凝土异形柱结构的现状
混凝土异形柱框架结构作为一结构形式已广泛应用于住宅建筑中。相对于传统的矩形柱框架结构,异形柱框架结构能更好的满足建筑使用及美观的要求。
2. 混凝土异形柱结构的优点
一般的矩形柱框架结构,柱子截面多为矩形和圆形,柱占去了有效地使用面积,使家居布置产生一定的困难,若将柱截面改为“+”、“T”、“L”,厚度可根据墙体材料的厚度确定,这样就有效地避免了柱凸墙,增加了使用面积,同时为设计及使用提供了灵活性和方便性。混凝土异形柱结构具有改造性好、用料省、造价低、居住环境好等特点。
3. 混凝土异形柱结构的缺点
异形柱由于体形上与矩形柱的区别,其在受力及构造上与矩形柱有很大的区别。
(1)异形柱由于截面的特殊性使其在两个受力方向上刚度相差较大,同时还存在45°角的薄弱受力方向。异形柱结构在建筑的最大使用高度上较矩形柱结构要低,整体结构的延性和抗震性能较差。
(2)“+”、“T”、“L”柱各自的受力特点不尽相同,在柱轴压比控制上,不仅比矩形柱严格,同时也区分了不同体形的异形柱的轴压比限值。在较大的轴压比下异形柱的延性下降较快,设计时要严格控制。
(3)异形柱抗扭性能差,两肢相交处应力集中,加速了柱子的粘结破坏,当柱肢高与柱肢宽的比值相差较大时甚至产生严重的翘曲变形。
(4)由于梁柱截面的限制,节点区域较小、施工困难,节点区域相对的薄弱。在反复受力作用下,节点区保护层混凝土剥落将引起节点刚度下降,其下降程度比矩形柱严重的多。
4. 混凝土异形柱结构设计注意事项
4.1结构布置。
异形柱结构应从抗震概念设计角度考虑结构布置方案,宜采用规则的结构布置方案,不应采用特别不规则的结构布置方案。异形柱结构一个独立的单元,结构的平面形状宜简单、规则、对称、减少偏心。刚度和承载力分布宜均匀,异形柱结构的框架纵横柱网轴线宜分别对齐拉通。异形柱截面肢厚中心线宜与框架中心线对齐。建筑的立面和竖向剖面宜规则均匀,避免过大的外挑和内收、结构的侧向刚度沿竖向宜均匀变化。避免抗侧向刚度和承载力沿竖向的突变。
异形柱结构体系不能采用部分砌体承载的混合结构形式,抗震设计时不应采用多塔、连体和错层等的复杂结构形式,不应采用单跨框架结构形式。
异形柱结构体系应通过技术、经济和使用条件的综合分析比较确定。
4.2构件的选型。
异形柱结构受力复杂,在异形柱的布置选型上,首先要根据建筑平面情况同时要考虑不同异形柱受力特点。根据天津大学土木系对异形柱延性试验资料可知,影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂,且不同的柱截面形式,如“+”、“T”、“L”“Z”,在相同的水平位移下,其延性性能也有较大的差异。建议尽量多采用“+”、“T”“L”形柱, 不建议采用“Z”形柱,“Z”形柱截面受力存在严重的扭转效应。在柱肢长的选择上,以两个受力轴方向的刚度相同为宜。同时为了满足节点域受力要求和控制异形框架的整体抗震性能,框架梁的截面高度不宜小于400mm。
5. 异形柱结构的计算
异形柱结构的分析模型应符合结构的实际受力状况,异形柱结构的内力和位移分析应采用空间分析模型,可选择空间杆系模型、空间杆-薄壁杆系模型、空间杆-墙板元模型或其他组合有限元等分析模型。常有软件有PKPM-TAT、PKPM-SATWE、广厦结构CAD等可用于计算分析异形柱结构。
在结构计算中可按平面内无限刚性假定计算内力和位移,并应在设计中采取构造措施保证楼板平面内的整体刚度。对楼板开洞的不规则结构,计算时宜考虑楼板平面内的刚度和变形。异形柱结构计算时应考虑非承载墙对结构刚度的影响,可采用自振周期折减的方法来计算,框架结构一般取0.6~0.75,具体根据填充墙的多少确定。
有鉴于异形柱结构存在45°不利的受力方向,建议在结构在两个主轴方向分别计算水平地震作用的同时,考虑对主轴成45°方向进行补充计算。(规范是要求在7度(0.15g)及8度(0.20g)时补充45°角计算)
6. 异形柱结构的构造措施
合理的结构构造措施是保证结构三度设防的重要举措之一。有鉴于异形柱结构与矩形柱结构在构件截面、内力、变形及抗震性能等方面的差异,异形柱结构构造措施比矩形柱结构要求更严。
6.1轴压比的控制。由国内外的大量实验资料和理论分析说明,异形柱结构的破坏形态有,弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等,影响其破坏的因素有:荷载作用方向角、轴压比、剪跨比、配筋率、配箍率等。轴压比是影响混凝土柱延性的重要因素之一,混凝土异形柱的侧移延性随轴压比的增大而下降,所以在设计中要严格控制异形柱的轴压比。
6.2异形柱肢的高度和柱肢的宽度、钢筋保护层厚度。实验表明异形柱结构破坏过程:在荷载的反复作用下,异形柱腹板首先出现裂缝,然后混凝土保护层剥落,纵筋与混凝土出现位移,翼缘与腹板纵筋间混凝土酥裂,最终丧失承载力。规范要求异形柱结构柱肢的肢厚不应小于200mm,肢高不应小于500mm,保护层厚度要满足混凝土规范的相应规定。
6.3为了保证异形柱框架结构的节点安全,异形柱框架节点必须满足规范的要求。如:纵筋的直径、纵筋的间距、箍筋的直径、箍筋的间距、框架节点处的体积配箍率、框架节点处梁柱钢筋的锚固及框架节点处梁比柱宽时的构造措施等。通过加强异形柱框架节点的构造措施,提高异形柱框架节点处钢筋对混凝土的约束,保证了节点的抗剪承载力和节点内的内力可靠的传递,提高其抗震性能。
总之,对于异形柱框架结构,在设计中充分了解其优缺点,注意其截面、受力、变形的特点,就可以从计算和构造等方面保证其安全性。
参考文献
[1]混凝土异形柱结构技术规程(JGJ149-2006) 中国建筑工业出版社
[2]全国民用建筑工程设计技术措施(结构) 中国计划出版社
[文章编号]1006-7619(2009)10-28-973
【关键词】异形柱结构;异形柱;构造
Some experiences on special-shaped columns of concrete structures
Huang Jin-qian
(Transportation Planning and Design Institute, Jiangsu ProvinceNanjingJiangsu210000)
【Abstract】Based on force characteristics of special-shaped column structure analysis and understanding of norms, from the design point of view discussed in the design of special-shaped column structure, attention should be given the points.
【Key words】Special-shaped column structure; Special-shaped column; Construction
前言、混凝土异形柱结构与混凝土矩形柱结构存在着许多共同点、同时也有各自的特点,本文从混凝土异形柱结构的设计角度,论述了异形柱结构在设计中应引起注意的几点问题。
1. 混凝土异形柱结构的现状
混凝土异形柱框架结构作为一结构形式已广泛应用于住宅建筑中。相对于传统的矩形柱框架结构,异形柱框架结构能更好的满足建筑使用及美观的要求。
2. 混凝土异形柱结构的优点
一般的矩形柱框架结构,柱子截面多为矩形和圆形,柱占去了有效地使用面积,使家居布置产生一定的困难,若将柱截面改为“+”、“T”、“L”,厚度可根据墙体材料的厚度确定,这样就有效地避免了柱凸墙,增加了使用面积,同时为设计及使用提供了灵活性和方便性。混凝土异形柱结构具有改造性好、用料省、造价低、居住环境好等特点。
3. 混凝土异形柱结构的缺点
异形柱由于体形上与矩形柱的区别,其在受力及构造上与矩形柱有很大的区别。
(1)异形柱由于截面的特殊性使其在两个受力方向上刚度相差较大,同时还存在45°角的薄弱受力方向。异形柱结构在建筑的最大使用高度上较矩形柱结构要低,整体结构的延性和抗震性能较差。
(2)“+”、“T”、“L”柱各自的受力特点不尽相同,在柱轴压比控制上,不仅比矩形柱严格,同时也区分了不同体形的异形柱的轴压比限值。在较大的轴压比下异形柱的延性下降较快,设计时要严格控制。
(3)异形柱抗扭性能差,两肢相交处应力集中,加速了柱子的粘结破坏,当柱肢高与柱肢宽的比值相差较大时甚至产生严重的翘曲变形。
(4)由于梁柱截面的限制,节点区域较小、施工困难,节点区域相对的薄弱。在反复受力作用下,节点区保护层混凝土剥落将引起节点刚度下降,其下降程度比矩形柱严重的多。
4. 混凝土异形柱结构设计注意事项
4.1结构布置。
异形柱结构应从抗震概念设计角度考虑结构布置方案,宜采用规则的结构布置方案,不应采用特别不规则的结构布置方案。异形柱结构一个独立的单元,结构的平面形状宜简单、规则、对称、减少偏心。刚度和承载力分布宜均匀,异形柱结构的框架纵横柱网轴线宜分别对齐拉通。异形柱截面肢厚中心线宜与框架中心线对齐。建筑的立面和竖向剖面宜规则均匀,避免过大的外挑和内收、结构的侧向刚度沿竖向宜均匀变化。避免抗侧向刚度和承载力沿竖向的突变。
异形柱结构体系不能采用部分砌体承载的混合结构形式,抗震设计时不应采用多塔、连体和错层等的复杂结构形式,不应采用单跨框架结构形式。
异形柱结构体系应通过技术、经济和使用条件的综合分析比较确定。
4.2构件的选型。
异形柱结构受力复杂,在异形柱的布置选型上,首先要根据建筑平面情况同时要考虑不同异形柱受力特点。根据天津大学土木系对异形柱延性试验资料可知,影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂,且不同的柱截面形式,如“+”、“T”、“L”“Z”,在相同的水平位移下,其延性性能也有较大的差异。建议尽量多采用“+”、“T”“L”形柱, 不建议采用“Z”形柱,“Z”形柱截面受力存在严重的扭转效应。在柱肢长的选择上,以两个受力轴方向的刚度相同为宜。同时为了满足节点域受力要求和控制异形框架的整体抗震性能,框架梁的截面高度不宜小于400mm。
5. 异形柱结构的计算
异形柱结构的分析模型应符合结构的实际受力状况,异形柱结构的内力和位移分析应采用空间分析模型,可选择空间杆系模型、空间杆-薄壁杆系模型、空间杆-墙板元模型或其他组合有限元等分析模型。常有软件有PKPM-TAT、PKPM-SATWE、广厦结构CAD等可用于计算分析异形柱结构。
在结构计算中可按平面内无限刚性假定计算内力和位移,并应在设计中采取构造措施保证楼板平面内的整体刚度。对楼板开洞的不规则结构,计算时宜考虑楼板平面内的刚度和变形。异形柱结构计算时应考虑非承载墙对结构刚度的影响,可采用自振周期折减的方法来计算,框架结构一般取0.6~0.75,具体根据填充墙的多少确定。
有鉴于异形柱结构存在45°不利的受力方向,建议在结构在两个主轴方向分别计算水平地震作用的同时,考虑对主轴成45°方向进行补充计算。(规范是要求在7度(0.15g)及8度(0.20g)时补充45°角计算)
6. 异形柱结构的构造措施
合理的结构构造措施是保证结构三度设防的重要举措之一。有鉴于异形柱结构与矩形柱结构在构件截面、内力、变形及抗震性能等方面的差异,异形柱结构构造措施比矩形柱结构要求更严。
6.1轴压比的控制。由国内外的大量实验资料和理论分析说明,异形柱结构的破坏形态有,弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等,影响其破坏的因素有:荷载作用方向角、轴压比、剪跨比、配筋率、配箍率等。轴压比是影响混凝土柱延性的重要因素之一,混凝土异形柱的侧移延性随轴压比的增大而下降,所以在设计中要严格控制异形柱的轴压比。
6.2异形柱肢的高度和柱肢的宽度、钢筋保护层厚度。实验表明异形柱结构破坏过程:在荷载的反复作用下,异形柱腹板首先出现裂缝,然后混凝土保护层剥落,纵筋与混凝土出现位移,翼缘与腹板纵筋间混凝土酥裂,最终丧失承载力。规范要求异形柱结构柱肢的肢厚不应小于200mm,肢高不应小于500mm,保护层厚度要满足混凝土规范的相应规定。
6.3为了保证异形柱框架结构的节点安全,异形柱框架节点必须满足规范的要求。如:纵筋的直径、纵筋的间距、箍筋的直径、箍筋的间距、框架节点处的体积配箍率、框架节点处梁柱钢筋的锚固及框架节点处梁比柱宽时的构造措施等。通过加强异形柱框架节点的构造措施,提高异形柱框架节点处钢筋对混凝土的约束,保证了节点的抗剪承载力和节点内的内力可靠的传递,提高其抗震性能。
总之,对于异形柱框架结构,在设计中充分了解其优缺点,注意其截面、受力、变形的特点,就可以从计算和构造等方面保证其安全性。
参考文献
[1]混凝土异形柱结构技术规程(JGJ149-2006) 中国建筑工业出版社
[2]全国民用建筑工程设计技术措施(结构) 中国计划出版社
[文章编号]1006-7619(2009)10-28-973