异型柱框架结构设计探讨

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异型柱在结构上综合了框架结构和短肢剪力墙的优点,但是它和剪力墙又有很大的区别。

短肢剪力墙的墙肢截面的高度和厚度的比值在5到8之间,墙的厚度大于200mm。短肢剪力墙结构是为了适应建筑要求形成的一种特殊的剪力墙结构。它的配筋方式、计算模型以及构造要求都和普通剪力墙一样。

异型柱结构是指不规则的截面柱体,柱肢的截面厚度比小于4,它在受力方面和常规的截面柱不同,但是适应使用功能以及建筑美学的要求,所以被广泛使用和推广。

所以,异型柱和短肢剪力墙是两个完全不同的结构,受力方式也不一样。

1异型柱框架的受力特点

异型柱结构在吸收了原有普通框架结构的优点的基础上,还具有以下特点。

(1)为了适应住宅建筑的需求,在房间分隔墙的交点处异型柱结构就显得很灵活,平面承受的刚度均匀疏散,经常出现横梁和纵梁不贯通,结构难以简化成平面结构来计算。

(2)立面结构的分布比较均匀,异型柱和重量较轻的砌体填充墙在弹性方面共同工作性能比较好。

(3)异型柱一般采用L形、T形、十字形等截面形式,肢柱的宽度和厚度比在2.5到4.5之间,柱肢狭长而且较薄,双向压弯效应比较明显。

(4)异型柱截面只有一根对称轴或者没有对称轴,荷载的方向角相对敏感,抗扭曲刚度比较差,在一定程度上也造成异型柱结构荷载的方向比较敏感,如果稍微出现偏心或者是不对称现象,抗扭曲能力就会大大降低。

(5)异型柱截面最薄弱的位置就是柱肢角,特别是柱肢交界的断面和梁底的柱肢角部,这些部分的应力集中比较严重。

(6)异型柱结构中梁的高度和宽度比比较大,柱肢相对狭长,所以梁柱重叠的部分比较多,在梁端形成一定范围的刚域。

(7)异型柱结构的节点区大而且薄,在弹塑性阶段,应该注意由于节点区变形对结构变形的影响;异型柱的节点区和矩形柱的节点有很多不同,首先,因为梁柱比较薄,施工的时候混凝土通常不容易振捣密实,另外梁柱的交接位置应力比较集中,后期破坏比较严重,这就对节点核心区的有效体积削减很多,使节点的抗力能力降低,其次,节点的破坏位置会向梁端移动,这样就使节点受力简单化,有利于强化节点。

2异型柱在结构设计中的问题

2.1 异型柱和异型柱结构的概念

所谓异型柱就是舍弃了传统的矩形柱,用多个小墙肢组合的截面柱子来代替,是由剪力墙优化而来的一种特殊的建筑结构。在《异规》的第6.1.3条中规定,异型柱截面的肢柱厚度不能小于200mm,肢柱高度最小是500mm。这主要是因为肢厚如果比较小,就可能给梁柱节点的核心区的钢筋设置工作带来困难,并且使混凝土和钢筋的粘结锚固的强度不足,所以规定肢厚最大不能超过200mm,确保结构安全以及方便施工。限制脂高是为了满足柱内的梁纵向的钢筋锚固长度,另外,还要考虑到双向正截面的抗力要求等。

2.2 平面布置

异型柱结构的平面布置,除了应该遵守传统的框架结构规范、设计要求之外,还要考虑自身的特点,注意以下问题。

(1)在异型柱框架一个独立的结构单元内,要尽量使刚度和平面形状均匀对称,两个主轴的方向协调,减少偏心距,因为明显的不对称结构会使对受力产生不利的影响。

(2)异型柱的竖向结构应力要力求均匀、规则,避免出现比较大的内收、外挑或者楼层刚度在竖直方向出现突变。

(3)可以考虑采用双向的承重体系,并且横向和纵向相互连接。

(4)各个柱肢要尽可能对齐,使梁和柱肢共同构成多跨的比较规则的抗侧力系统。

(5)柱网的尺寸尽量较小,通常不要超过6m。

2.3 设计方法

在异型柱的结构设计中,应该优先采用能够准确反映受力情况的计算程序分析。我国建筑科学研究院研发的TAT、SATWE软件就是比较成熟的能够满足设计要求的应用程序,能够很好的进行计算分析和建模。但是这种程序的应用在地方性的建设中还存在一定的局限性,所以在设计的过程中,还要注意下面的一些问题。

(1)按照肢宽和肢长的比例来计算异型柱在学术上时很安全的,但是用规定程序进行计算的时候就可能会导致刚度下降,所以要适当的增加抗地震能力。

(2)对于传统的矩形柱来说,侧移一般起不到控制作用,但是对于异型柱框架,因为它的侧向刚度比较小,所以侧移可能超过规范计算的允许值。

(3)如果异型柱的净高和截面的长边的尺寸比小于4,就要沿柱的高度加密箍筋,这样可以减小地震对柱剪切脆性的破坏并且改善其变形能力。

(4)因为荷载的方向角是任意的,所以在异型柱的内折角的地方要设置同样直径的受力筋。

(5)对于L形异型柱,其柱角处的受力钢筋要设计成双向共用。

(6)针对抗震等级达到三级以上的结构,为了安全,要对节点进行严密计算,确保节点区的可靠性。

(7)在施工的过程中要特别注意节点区,为了保证施工的质量,要采用骨料颗粒直径比较小的混凝土进行浇筑。

2.4 抗震等级

异型柱结构对住宅的高度控制是非常严格的,通常只适用于多层住宅。但是因为它在结构上比较灵活方便,室内又不会出现柱楞,不会露梁等优点,使异型柱成为目前住宅设计的首选形式。所以,无论是别墅、多层还是小高层,都在广泛的使用这种设计。所以设计人员必须要谨慎处理。异型柱结构要根据其结构类型以及房屋的高度和抗震等级要求,严格符合严密的计算和建筑措施要求。

3构造设计

3.1 砼标号和柱壁厚度的选择

柱肢的厚度必须大于160mm,一般采用200mm比较合适。如果是8层以上的框架,下面的两层梁柱的节点部位的钢筋就会比较密集,不要减薄。如果梁跨度比较大的时候,柱子一般表现得截面不足,轴压比过大,钢筋密集。所以最好的方法是把二层柱砼标号增加到C30左右,不要加大壁厚。

3.2 箍筋和纵向钢筋

箍筋和纵向钢筋的纵向受力钢筋选择的时候,数量尽量少一些,直径稍大,每边钢筋最好使用2根,如果多的话就设置两排。在层底的位置也可以每边设置3根,但是需要注意的是,穿出露面的柱筋每边每排不能超过2根,避免节点施工困难。

3.3 轴压比限值

异型柱在低周反复荷载的作用下,粘结破坏比矩形柱要严重很多,延展性比传统的矩形柱也要差很多,所以,对异型柱的轴压比限值要求更严格。在程序计算之后,要按照规定的条件对各个异型柱的轴压比的具体限值进行初步的确定,然后再配筋简图中仔细的查看是否存在超限的情况。这时候还不知道异型柱的实际轴压比限值,PKPM程序不能判断具体限值,只有异型柱轴压比超过了矩形轴压比限值的时候,程序才会显示超限。所以,异型柱的轴压比超限值,必须都要经过手工核算。

4结语

异型柱结构灵活多样,有很好的发展前景。尤其是在人们对住宅要求越来越高的今天。但是异型柱的使用也是有限度要求的,尤其是在抗地震等级高的地方,要尽量避免出现在高层建筑中,不能盲目的跟风,一味的追求外观美,而忽略其功能要求。另外,异型柱在设计中还有很多需要注意的问题,不能为了简单,就根据计算机的程序粗略的进行设计和计算,要注意建筑中的细节,如果是计算程序不能涉及的细节,必须要经过严密的手工计算并反复验证,以保证工程的质量要求。我们要吸收短肢剪力墙和传统框架结构的优点,在符合规范要求的前提下,达到质量和美学的完美统一。

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