钢筋混凝土异型柱的设计
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【关键词】 异型柱;受力特点;设计方法
一、异型柱设计的必要性
异型柱结构是目前多层和小高层住宅中较受欢迎的一种结构体系,以T形、L形、十字形的异性截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构,避免框架柱在室内凸出,少占建筑空间,为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性,同时用较少的混凝土材料获得较大的刚度,采用保温、隔热、轻质、高效的墙体材料,减少自重。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。
二、异型柱结构的受力特征
(1)根据建筑上的需要,异型柱在房间的分隔墙交点处灵活布置,平面刚度疏散、均匀,经常会有墙纵横不贯通,结构较难简化为平面结构计算。(2)立面刚度分布较均匀,异型柱与轻质砌体填充墙在弹性阶段共同工作性能良好。(3)柱采用T形、L形、十字形等截面形式,肢宽度比在2.5～4.5之间,柱肢薄而狭长,双向压弯效应明显。(4)异型柱结构的梁高宽比大,柱肢狭长,使梁柱重叠部分多,在梁端一定范围形成刚域;同时节点区较大而薄,在弹塑性阶段,应计入节点区变形对结构变形的影响。(5)异性截面仅有一根对称轴或没有对称轴,对荷载的方向较敏感,抗扭刚度较差,相应地也造成异型柱结构的荷载方向敏感性,且稍有不对称或偏心,抗扭能力降低较大。(6)异性截面的柱肢角部是明显的薄弱部位,尤其是梁底与柱肢交界断面的柱肢角部,应力集中严重。(7)异型柱结构的节点区的受力性能与矩形柱节点有较大区别,一方面由于梁柱薄,施工时混凝土不易振捣密实,再加上梁柱交接处应力集中和后期破坏较重,削弱了节点核心区的有效面积,使节点抗剪承载力降低;另一方面节点区破坏部位向梁端外移,又缓解了节点区受力的复杂程度,有利于强节点的实现。
三、结构平面布置
(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、多跨的抗侧力体系。异型柱设计的目的主要是合理解决小面积房屋的使用问题,应重点布置在房屋中影响房间使用的墙角部位,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。充分发挥了异型柱使用和受力的特点创造出每平方米建筑面积用钢量较低的好指标。
四、内力分析一般原则
在设计中宜优先采用基于空间工作的分析方法,也可采用基于平面抗侧力结构空间协同工作的分析方法。对于结构布置不规则的异型柱结构,应采用基于空间工作的计算程序进行分析,以考虑其偏心与扭转的影响。在水平荷载作用下,可以先假定楼、屋盖在其自身平面内为绝对刚性,在设计中应采取保证楼面整体刚度的相应构造措施。
五、设计方法
异型柱的腹板和翼缘空间共同工作抵抗双向压变作用,应将其定位于“柱”,而非忽略平面外刚度的“剪力墙”;当肢宽厚比较大时,易出现类似剪力墙的弯剪破坏形态,又不完全类同于一般意义的柱。在设计中还应注意以下几个问题:(1)按肢长与肢宽之比定义异形柱或短肢墙很大程度是为了学术上的便利。用TAT程序进行结构整体计算时,按异形柱模式可能导致结构刚度下降,应适当增加抗地震力;当按短肢剪力墙模式计算可使梁配筋偏小,应适当调整配筋。(2)在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用,对于异形柱框架结构,由于侧向刚度较小,有时侧移会超过规范允许值。(3)对柱的净高与柱截面长边尺寸之比小于4的异形柱,应沿柱高全高加密箍筋,以减小地震作用下柱剪切脆性破坏的危险性和改善柱的变形性能。(4)因荷载方向角的任意性,在异形柱内折角处也应设置相同直径的受力筋。(5)位于L形柱角处的纵向受力钢筋为双向共用。(6)为安全起见,对抗震等级三级及三级以上的结构,应对节点进行计算,以保证节点区的可靠性。(7)施工过程中对异形柱及其节点区应加以重视,采用骨料粒径较小的混凝土进行浇筑,以确保施工质量。
六、轴压比限值
异形柱在单调荷载,特别在低周反复荷载作用下,粘结破坏较矩形柱严重,延性比普通矩形柱差,异形柱的轴压比限值比矩形柱严格得多。天津《规程》根据截面类型、箍筋间距与纵筋直径比s/d、箍筋直径dv和抗震等级确定,比矩形柱结构的柱轴压比限值低很多。在程序试算后,应按上述条件初步确定出各柱的轴压比具体限值,并在配筋简图中仔细查看各层柱的计算轴压比是否有超限。此时异形柱的实配纵筋和箍筋还是未知的,PKPM程序无法判断每个柱的轴压比具体限值,只有在轴压比超过矩形柱结构的轴压比限值时,程序才会报告轴压比超限。异形柱的轴压比超限,必须逐一手工核算。
参考文献
[1]JGJ149-2006混凝土异型柱结构技术规程