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摘 要：讨论了异形柱框架结构的受力特点和一般规定, 并提出异形柱截面尺寸的建议, 探讨了把异形柱按双向等刚度原则换算为矩形柱后进行空间分析, 以及柱轴压比限值, 构造配筋率控制值和配筋方法等问题, 供工程设计时参考.
关键词：住宅； 异形柱； 框架结构； 截面； 配筋
Abstract: This paper discusses the characteristics and general provisions of special-shaped column frame structure and puts forward the special-shaped column size recommendations as well as discusses the spatial analysis of special-shaped column according to the principle of equal rigidity for bidirectional conversion rectangular column after column. And the limit value of axial compression ratio, providing a reference for engineering design.
Keywords: housing; special-shaped column; frame structure; section; reinforcement
中图分类号:TB482.2文献标识码：A文章编号：
1. 异形柱框架结构设计的一般规定
1.1 异形柱框架结构总高限用于8层及8层以下框架结构, 且底层框架柱柱宽>30mm。
1.2 采用异形柱框架的平面结构布置应满足: 纵向框架应有两道以上拉通, 横向框架每10一15m范围至少拉通一棍。
1.3 异形柱框架的计算应采用空间结构分析程序。
1.4 8一10层的住宅、宿舍要采用异形柱框架时, 应增设均匀布置的落地小墙肢剪力墙, 剪力墙面积要占底面积1.5% 以上。
1.5 底层大柱网框架柱, 升到顶层的柱断面要比置在转换梁上的柱明显增大, 不可采用
同断面柱的结构方案。
1.6 异形柱框架应设计成双向梁柱体系, 应具有明确的计算简图, 合理的地震作用传递途径。
2. 异形柱截面尺寸建议
2.1 异形柱的一般截面形式如图1所示异形柱中。异形柱截面其各肢肢长与肢宽之比宜不大于4, 即B/h簇4, H/b簇4。否则, 其受力特点类同于剪力墙, 应按剪力墙小墙肢进行计算。
图1 异形柱截面形式
2.2 异形柱截面的翼缘长度亦不能太小, 在满足建筑门窗开洞要求的前提下, 根据其受力
特点及施工方便。建议对于“T”型截面取bf≥100mm , 对于“L” 形截面取b f≥130mm , 否則其翼缘对柱的抗弯刚度, 抗扭刚度的贡献将微不足道。且无论是“L”形还是“T, 形截面, 其H/B不宜小于1。
2.3 异形柱截面的厚度也不宜小于180mm , 否则梁、柱节点处钢筋的布置将有困难。通常, 许多设计人员大多采用厚度为200mm 或220mm的异形截面, 而梁宽多采用200mm , 以便与厚度190mm 空心砖相配合。对此, 国家标准尚无统一规定。笔者认为两者都可以。当厚度采用220mm时, 较有利于柱筋的布置以及梁筋的插人。但目前施工中所采用的空心砖大多为190mm, 因此, 墙在粉刷时, 为了建筑上的美观, 尽量与柱齐平, 这就出现了粉刷厚度较厚, 上下不均匀的情况, 在一定程度上造成施工上的困难和材料的浪费。当厚度采用20mm时, 梁柱等宽, 梁柱节点处钢筋布置较为困难, 且梁筋难插人柱内。
3.静力分析
通常采用的空间分析程序只适应于矩形截面柱, 用什么方法, 用什么程序来计算异形截
面柱, 正是许多工程设计人员探索研究的问题。目前, 大多数设计人员采用《TBSA多层与高层空间分析程序》来进行异形柱内力分析和承载力计算, 而后对其进行配筋。如何有效地利用TBSA计算并处理计算结果是工程设计人员共同关心的问题。
3.1 异形柱截面等效为双向等刚度矩形截面柱
以往, 设计人员常把异形柱截面按框架平面等效为单向等刚度、等面积的矩形柱截面。这是错误的。因为异形柱本身受力是双向的, 应采用空间分析的方法。杆系单元在总刚矩阵
的贡献中, 单元的抗弯刚度系数是主要的。因此, 以截面惯性矩等效为主要条件进行截面等
效换算, 对结构分析内力和变形更为合理。在异形柱框架结构中, 把异形柱按截面形心等效
为在结构平面内相互垂直的两个主轴方向抗弯刚度相等的矩形柱, 再利用TBSA进行空间分析是合理的。
3.2异形柱轴压比限值及构造配筋率
考虑到异形框架柱的抗扭、抗震性能较差, 一般认为, 其轴压比的限值宜比《混凝土结构设计规范》GBJ10一89中第8.4.8 条中的数值减少0.05 取用。柱中纵向钢筋的最小配筋率
可比GBJ10一89中第8.4.9条中的数值增加0.05取用。同时, 由上述两表中可以看出, 把异形截面柱换算成双向等刚度的矩形柱, 换算后的面积不等于原异形柱面积, 一般大于原截面面积的5%一15%, 由于这种原因, 笔者以为, 当按上述进行截面换算后, 柱轴压比限值宜比前者再减少0.05取用, 柱中纵向钢筋的最小配筋率宜比前者再增加0.05 取用。如换算后的面积大于10% 以上, 其轴压比限值可考虑更严格些, 最小配筋率可更大些。
3.3 梁跨度的讨论
在进行双向等刚度截面换算后, 注意到框架结构中框架梁的轴线跨度, 特别是梁净跨度发生了改变, 有以下2 种情况.
1) 由截面换算后引起的纵横向框架梁的轴线跨度及净跨度改变, 如图2 所示。
2) 由于异形柱竖向上截面变化, 换算成等刚度矩形截面后, 所引起的梁跨度改变, 如图3 所示. 当异形柱框架结构邻层柱截面的高度H 发生变化时, 则在保持B 不变的情况下, 随着H的减小, 换算后截面h‘减小的同时, 而b’随之增大, 其相应梁之间的轴线跨度和净跨度也发生改变。
由图2、图3可以看出, 截面换算后, 梁轴线跨度和净跨度改变的情况, 也即梁的计算跨度发生了改变。因此计算时, 应进行必要调整, 特别应考虑梁的净跨度发生较大的改变所带来的影响, 使其与实际情况相符。
(a) 梁纵向跨度变化 (b) 梁横向跨度变化
图2 异形柱截面换算成矩形截面柱示意图 (L为原异形柱梁跨度,L’为截面换算后梁宽度)
图3 邻层异形柱截面高度变化引起截面换算后梁跨度的变化示意图
(L为原异形柱梁跨度, L’L”为截面换算后梁跨度)
4.异形柱配筋计算
按双向等刚度换算为矩形柱后进行空间分析计算, 所得内力及位移基木上是正确的, 但
盲目地直接套用TBSA 的配筋计算结果进行配筋是不合适的, 只能利用其内力分析结果,按照《混凝土结构设计规范》有关公式和规定进行双向配筋计算和构造配筋。
5.配筋方法
5.1异形柱截面不同于矩形柱, 厚度较小, 因此对异形柱进行配筋时, 钢筋根数应尽量少,
一般用两根纵筋为好, 必要时可分为两排设置以利于梁柱节点处钢筋的布置, 纵向受力筋应和构造钢筋区别开, 笔者建议, 构造钢筋直径宜小于其受力钢筋, 否则将造成异形柱钢筋配筋率过大, 不利于节约材耗。
5.2对于梁配筋的要求, 首先应根据实际情况分析异形柱换算截面后框架梁跨度变化带来的
影响, 对梁配筋进行合理的调整, 设置梁面通长钢筋时, 应根据规范要求尽可能减少由通长筋设置过多而造成用钢量增大。
5.3异形柱框架结构的应用已越来越广泛, 由于其特殊的受力特点, 在设计中所遇到的间题
也越来越突出, 因此, 对于异形柱框架结构的设计应予以重视。在设计中, 宜使结构的平面
布置和刚度均匀对称, 楼层不宜错层, 避免扭转对结构受力的不利影响, 同时, 控制其轴压比, 并适当提高柱的配筋率, 以确保结构的整体抗震性能, 使其具有足够的承载力、刚度和延性。
关键词：住宅； 异形柱； 框架结构； 截面； 配筋
Abstract: This paper discusses the characteristics and general provisions of special-shaped column frame structure and puts forward the special-shaped column size recommendations as well as discusses the spatial analysis of special-shaped column according to the principle of equal rigidity for bidirectional conversion rectangular column after column. And the limit value of axial compression ratio, providing a reference for engineering design.
Keywords: housing; special-shaped column; frame structure; section; reinforcement
中图分类号:TB482.2文献标识码：A文章编号：
1. 异形柱框架结构设计的一般规定
1.1 异形柱框架结构总高限用于8层及8层以下框架结构, 且底层框架柱柱宽>30mm。
1.2 采用异形柱框架的平面结构布置应满足: 纵向框架应有两道以上拉通, 横向框架每10一15m范围至少拉通一棍。
1.3 异形柱框架的计算应采用空间结构分析程序。
1.4 8一10层的住宅、宿舍要采用异形柱框架时, 应增设均匀布置的落地小墙肢剪力墙, 剪力墙面积要占底面积1.5% 以上。
1.5 底层大柱网框架柱, 升到顶层的柱断面要比置在转换梁上的柱明显增大, 不可采用
同断面柱的结构方案。
1.6 异形柱框架应设计成双向梁柱体系, 应具有明确的计算简图, 合理的地震作用传递途径。
2. 异形柱截面尺寸建议
2.1 异形柱的一般截面形式如图1所示异形柱中。异形柱截面其各肢肢长与肢宽之比宜不大于4, 即B/h簇4, H/b簇4。否则, 其受力特点类同于剪力墙, 应按剪力墙小墙肢进行计算。
图1 异形柱截面形式
2.2 异形柱截面的翼缘长度亦不能太小, 在满足建筑门窗开洞要求的前提下, 根据其受力
特点及施工方便。建议对于“T”型截面取bf≥100mm , 对于“L” 形截面取b f≥130mm , 否則其翼缘对柱的抗弯刚度, 抗扭刚度的贡献将微不足道。且无论是“L”形还是“T, 形截面, 其H/B不宜小于1。
2.3 异形柱截面的厚度也不宜小于180mm , 否则梁、柱节点处钢筋的布置将有困难。通常, 许多设计人员大多采用厚度为200mm 或220mm的异形截面, 而梁宽多采用200mm , 以便与厚度190mm 空心砖相配合。对此, 国家标准尚无统一规定。笔者认为两者都可以。当厚度采用220mm时, 较有利于柱筋的布置以及梁筋的插人。但目前施工中所采用的空心砖大多为190mm, 因此, 墙在粉刷时, 为了建筑上的美观, 尽量与柱齐平, 这就出现了粉刷厚度较厚, 上下不均匀的情况, 在一定程度上造成施工上的困难和材料的浪费。当厚度采用20mm时, 梁柱等宽, 梁柱节点处钢筋布置较为困难, 且梁筋难插人柱内。
3.静力分析
通常采用的空间分析程序只适应于矩形截面柱, 用什么方法, 用什么程序来计算异形截
面柱, 正是许多工程设计人员探索研究的问题。目前, 大多数设计人员采用《TBSA多层与高层空间分析程序》来进行异形柱内力分析和承载力计算, 而后对其进行配筋。如何有效地利用TBSA计算并处理计算结果是工程设计人员共同关心的问题。
3.1 异形柱截面等效为双向等刚度矩形截面柱
以往, 设计人员常把异形柱截面按框架平面等效为单向等刚度、等面积的矩形柱截面。这是错误的。因为异形柱本身受力是双向的, 应采用空间分析的方法。杆系单元在总刚矩阵
的贡献中, 单元的抗弯刚度系数是主要的。因此, 以截面惯性矩等效为主要条件进行截面等
效换算, 对结构分析内力和变形更为合理。在异形柱框架结构中, 把异形柱按截面形心等效
为在结构平面内相互垂直的两个主轴方向抗弯刚度相等的矩形柱, 再利用TBSA进行空间分析是合理的。
3.2异形柱轴压比限值及构造配筋率
考虑到异形框架柱的抗扭、抗震性能较差, 一般认为, 其轴压比的限值宜比《混凝土结构设计规范》GBJ10一89中第8.4.8 条中的数值减少0.05 取用。柱中纵向钢筋的最小配筋率
可比GBJ10一89中第8.4.9条中的数值增加0.05取用。同时, 由上述两表中可以看出, 把异形截面柱换算成双向等刚度的矩形柱, 换算后的面积不等于原异形柱面积, 一般大于原截面面积的5%一15%, 由于这种原因, 笔者以为, 当按上述进行截面换算后, 柱轴压比限值宜比前者再减少0.05取用, 柱中纵向钢筋的最小配筋率宜比前者再增加0.05 取用。如换算后的面积大于10% 以上, 其轴压比限值可考虑更严格些, 最小配筋率可更大些。
3.3 梁跨度的讨论
在进行双向等刚度截面换算后, 注意到框架结构中框架梁的轴线跨度, 特别是梁净跨度发生了改变, 有以下2 种情况.
1) 由截面换算后引起的纵横向框架梁的轴线跨度及净跨度改变, 如图2 所示。
2) 由于异形柱竖向上截面变化, 换算成等刚度矩形截面后, 所引起的梁跨度改变, 如图3 所示. 当异形柱框架结构邻层柱截面的高度H 发生变化时, 则在保持B 不变的情况下, 随着H的减小, 换算后截面h‘减小的同时, 而b’随之增大, 其相应梁之间的轴线跨度和净跨度也发生改变。
由图2、图3可以看出, 截面换算后, 梁轴线跨度和净跨度改变的情况, 也即梁的计算跨度发生了改变。因此计算时, 应进行必要调整, 特别应考虑梁的净跨度发生较大的改变所带来的影响, 使其与实际情况相符。
(a) 梁纵向跨度变化 (b) 梁横向跨度变化
图2 异形柱截面换算成矩形截面柱示意图 (L为原异形柱梁跨度,L’为截面换算后梁宽度)
图3 邻层异形柱截面高度变化引起截面换算后梁跨度的变化示意图
(L为原异形柱梁跨度, L’L”为截面换算后梁跨度)
4.异形柱配筋计算
按双向等刚度换算为矩形柱后进行空间分析计算, 所得内力及位移基木上是正确的, 但
盲目地直接套用TBSA 的配筋计算结果进行配筋是不合适的, 只能利用其内力分析结果,按照《混凝土结构设计规范》有关公式和规定进行双向配筋计算和构造配筋。
5.配筋方法
5.1异形柱截面不同于矩形柱, 厚度较小, 因此对异形柱进行配筋时, 钢筋根数应尽量少,
一般用两根纵筋为好, 必要时可分为两排设置以利于梁柱节点处钢筋的布置, 纵向受力筋应和构造钢筋区别开, 笔者建议, 构造钢筋直径宜小于其受力钢筋, 否则将造成异形柱钢筋配筋率过大, 不利于节约材耗。
5.2对于梁配筋的要求, 首先应根据实际情况分析异形柱换算截面后框架梁跨度变化带来的
影响, 对梁配筋进行合理的调整, 设置梁面通长钢筋时, 应根据规范要求尽可能减少由通长筋设置过多而造成用钢量增大。
5.3异形柱框架结构的应用已越来越广泛, 由于其特殊的受力特点, 在设计中所遇到的间题
也越来越突出, 因此, 对于异形柱框架结构的设计应予以重视。在设计中, 宜使结构的平面
布置和刚度均匀对称, 楼层不宜错层, 避免扭转对结构受力的不利影响, 同时, 控制其轴压比, 并适当提高柱的配筋率, 以确保结构的整体抗震性能, 使其具有足够的承载力、刚度和延性。