论文部分内容阅读
【摘 要】为适应住宅平面灵活布置，异形柱框架结构是一种较好的结构形式。本文对异形柱框架设计的特点及计算分析、构造措施等方面进行了探讨，并给出成功的工程设计实例。
【关键词】异形柱；结构；设计
【Abstract】In order to adapt to the flexible layout of the residential floor， the special-shaped column frame structure is a better structural form. In this paper， the characteristics， calculation analysis and construction measures of the special-shaped column frame design are discussed， and a successful engineering design example is given.
【Key words】Shaped column；Structure；Design
本人从事建筑结构设计工作近二十多年，独立完成的中高层以上结构设计工作三十多项，在二00八年参与设计的“怀集雅豪庭园小区工程”项目被评为肇庆市优秀设计二等奖。现结合实际经验对该项目异形柱框架结构设计进行探讨。
1. 异形柱框架结构的特点
1.1 异形柱结构是采用T 形、L 形、十字形等截面的异形柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构，其截面各肢的肢高肢厚比不大于4。异形柱各肢肢长可能相等，也可能不相等，但提倡采用等肢异形柱。当不得不采用不等肢异形柱时，柱两肢的肢高比不宜超过1.6。异形柱在满足受力的前提下，肢厚宜与相连填充墙等厚，若比相连填充墙体厚，出现柱楞，则将失去美观、使用方便的基本意义。
1.2 与普通框架相比，异形柱框架结构总体侧向刚度较小，竖向整体显得较柔。异形柱截面有一根对称轴或无对称轴，对荷载方向较敏感，抗扭刚度较差，因此异形柱抗扭能力较普通框架差。异形柱框架中的梁柱截面较薄，施工时不易捣实，再加上梁柱交接处应力集中，削减了节点核心区的体积，使节点抗剪承载力降低。
1.3 异形柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定、设计要求外，还应综合考虑自身的特点，注意以下几方面的问题：
（1）平面布置宜尽量对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；
（2）考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接；
（3）各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则、多跨的抗側力体系。
（4）异形柱应重点布置在房屋中影响使用的墙角部位，其它部位从受力合理和施工方便两个方面考虑宜采用矩形截面柱。这样兼顾了使用和安全两个方面，充分发挥了异形柱使用和受力的特点。
2. 异形柱的计算分析
2.1 计算方法。
在低烈度区， 且水平力作用在截面对称轴内时（ 如异形柱为十字形） ， 弹性分析计算其翘曲应力很小， 此时如同承受水平力的偏压构件， 仍可按平截面假定分析， 按混凝土设计规范计算。而在高烈度区， 且水平力作用在非主轴方向， 则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大， 则应对异形柱结构进行有限元分析， 决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时， 应选用带有异形柱计算功能的软件。
2.2 计算模型。
由于在实际工程中所布置的竖向构件往往不全是异形柱， 其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙（一般剪力墙或部分短肢剪力墙），形成异形柱框架） 剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时， 有的设计人员常会把异形柱按短肢剪力墙输入， 有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱按短肢剪力墙输入， 这样势必造成计算误差， 而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁， 按异形柱输入的， 梁长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输入的， 梁长取墙肢端点长度， 两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。
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。
（1）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。
（2）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。
4. 工程实例
肇庆市怀集县雅风苑异形柱框架住宅楼长49.2m，宽20m，建筑面积5808m2左右，首、二层高3.6m，住宅八层，其余层高3.0m，最大建筑高度为25.2m。本工程设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.05g。本工程建筑场地为Ⅱ类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程结构抗震等级为四级。场地的特征周期=0.305，水平地震影响系数最大值。max=0.04基本风压0.5KN/mz，地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按GB50009-2001《建筑结构荷载规范》的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。同时重视抗震概念设计，加强构造措施。目前已竣工验收交付使用，经观察结构整体状况良好。
5. 小结
近年来我国住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，使得普通的矩形框架柱给室内装饰和家具布置带来极大的不便，异型柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求。从结构受力角度来说，它博采框架加剪力墙体系之长，平立面布置近于框架结构，柱的截面形式又不拘泥于矩形，将截面积向工程轴外铺开成T形、十字形、L型等，用较少的混凝土材料，获得了较大的刚度；同时配合轻质填充墙的使用，结构重量比一般框架更轻。适中的刚度和较轻的自重，对减小地震作用很有利，是一种经济合理的抗震住宅结构体系。
参考文献
[1] JGJ149-2006， 《混凝土异形柱技术规程》.
[2] 黄锐，抗震设防高烈度区异形柱结构设计应注意的两个问题，建筑结构，2005（5）.
[文章编号]1619-2737（2018）05-22-844
[作者简介] 李焕成 （1978-），男，建筑结构专业，职称：结构工程师。
【关键词】异形柱；结构；设计
【Abstract】In order to adapt to the flexible layout of the residential floor， the special-shaped column frame structure is a better structural form. In this paper， the characteristics， calculation analysis and construction measures of the special-shaped column frame design are discussed， and a successful engineering design example is given.
【Key words】Shaped column；Structure；Design
本人从事建筑结构设计工作近二十多年，独立完成的中高层以上结构设计工作三十多项，在二00八年参与设计的“怀集雅豪庭园小区工程”项目被评为肇庆市优秀设计二等奖。现结合实际经验对该项目异形柱框架结构设计进行探讨。
1. 异形柱框架结构的特点
1.1 异形柱结构是采用T 形、L 形、十字形等截面的异形柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构，其截面各肢的肢高肢厚比不大于4。异形柱各肢肢长可能相等，也可能不相等，但提倡采用等肢异形柱。当不得不采用不等肢异形柱时，柱两肢的肢高比不宜超过1.6。异形柱在满足受力的前提下，肢厚宜与相连填充墙等厚，若比相连填充墙体厚，出现柱楞，则将失去美观、使用方便的基本意义。
1.2 与普通框架相比，异形柱框架结构总体侧向刚度较小，竖向整体显得较柔。异形柱截面有一根对称轴或无对称轴，对荷载方向较敏感，抗扭刚度较差，因此异形柱抗扭能力较普通框架差。异形柱框架中的梁柱截面较薄，施工时不易捣实，再加上梁柱交接处应力集中，削减了节点核心区的体积，使节点抗剪承载力降低。
1.3 异形柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定、设计要求外，还应综合考虑自身的特点，注意以下几方面的问题：
（1）平面布置宜尽量对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；
（2）考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接；
（3）各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则、多跨的抗側力体系。
（4）异形柱应重点布置在房屋中影响使用的墙角部位，其它部位从受力合理和施工方便两个方面考虑宜采用矩形截面柱。这样兼顾了使用和安全两个方面，充分发挥了异形柱使用和受力的特点。
2. 异形柱的计算分析
2.1 计算方法。
在低烈度区， 且水平力作用在截面对称轴内时（ 如异形柱为十字形） ， 弹性分析计算其翘曲应力很小， 此时如同承受水平力的偏压构件， 仍可按平截面假定分析， 按混凝土设计规范计算。而在高烈度区， 且水平力作用在非主轴方向， 则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大， 则应对异形柱结构进行有限元分析， 决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时， 应选用带有异形柱计算功能的软件。
2.2 计算模型。
由于在实际工程中所布置的竖向构件往往不全是异形柱， 其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙（一般剪力墙或部分短肢剪力墙），形成异形柱框架） 剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时， 有的设计人员常会把异形柱按短肢剪力墙输入， 有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱按短肢剪力墙输入， 这样势必造成计算误差， 而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁， 按异形柱输入的， 梁长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输入的， 梁长取墙肢端点长度， 两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。
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。
（1）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。
（2）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。
4. 工程实例
肇庆市怀集县雅风苑异形柱框架住宅楼长49.2m，宽20m，建筑面积5808m2左右，首、二层高3.6m，住宅八层，其余层高3.0m，最大建筑高度为25.2m。本工程设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.05g。本工程建筑场地为Ⅱ类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程结构抗震等级为四级。场地的特征周期=0.305，水平地震影响系数最大值。max=0.04基本风压0.5KN/mz，地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按GB50009-2001《建筑结构荷载规范》的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。同时重视抗震概念设计，加强构造措施。目前已竣工验收交付使用，经观察结构整体状况良好。
5. 小结
近年来我国住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，使得普通的矩形框架柱给室内装饰和家具布置带来极大的不便，异型柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求。从结构受力角度来说，它博采框架加剪力墙体系之长，平立面布置近于框架结构，柱的截面形式又不拘泥于矩形，将截面积向工程轴外铺开成T形、十字形、L型等，用较少的混凝土材料，获得了较大的刚度；同时配合轻质填充墙的使用，结构重量比一般框架更轻。适中的刚度和较轻的自重，对减小地震作用很有利，是一种经济合理的抗震住宅结构体系。
参考文献
[1] JGJ149-2006， 《混凝土异形柱技术规程》.
[2] 黄锐，抗震设防高烈度区异形柱结构设计应注意的两个问题，建筑结构，2005（5）.
[文章编号]1619-2737（2018）05-22-844
[作者简介] 李焕成 （1978-），男，建筑结构专业，职称：结构工程师。