浅议如何对异形柱框架进行结构设计

关键词：异形柱框架 结构设计 计算分析

　　1、前言

　　随着人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高,从而对建筑设计布局有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔己越来越不能被房屋使用者所接受,因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题,因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱。所谓异形柱是相对于通常的矩形截面柱而言的,是指截面各肢长与肢厚之比不大于4的截面形状为“Ｔ”形、“十字”形、“Ｌ”形、“Ｚ”形的钢筋混凝土柱。钢筋混凝土异形柱框架结构是指仅由异形柱作为竖向构件组成的结构体系,它有如下特点:

　　(1)具有一般矩形柱框架结构整体性较强,抗震延性好的优点。

　　(2)兼有砖混结构的优点,且又有效解决了砖混房屋超高的技术问题。因此特别适用于联排别墅、高档多层住宅等。

　　(3)因墙体厚度一般与异形柱肢厚相同,室内不出现柱楞不露梁,使用面积能增加8%～10%。既改善了建筑功能,也提供了大空间及住户拆改装修的便利条件。

　　(4)由于填充墙推荐采用粉煤灰、加气混凝土砌块等非粘土质新型轻质墙体材料,使得造价能低于普通框架结构约10%～15%。

　　与消耗耕地的粘土砖混结构体系相比,异形柱框架结构体系优势明显,是砌体结构较好的替代品,因此具有很好的推广价值和广阔的市场前景。但是,在结构设计中,目前现行国家规范或规程中尚未给出异形柱框架结构设计的专门条款,供设计人员参考的资料也很有限。笔者在对省《钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程》（以下称作《规程》）的理解基础上,参考有关文献,结合工程实践,进行归纳总结,提出建议。

　　2、异形柱框架结构体系布置

　　2.1 适用条件

　　本着安全适用、技术先进、经济合理的设计原则,异形柱框架结构型式适用于地震烈度7度及以下地区的民用房屋,尤其适用于带错层、跃层的多层复杂住宅和小高层。《规程》关于异形柱框架结构的适用条件为:7度区总高度不超过24m,总层数不超过 8层;6度区总高度不超过35m,总层数不超过12层。超过此限制标准时的小高层, 建议采用短肢剪力墙结构。

　　2.2 结构布置

　　在工程设计实践中,异形柱常用截面形式有“L”“T”“十”型等,特殊形式还有“Z”型和“一”型。在考虑满足建筑功能要求的前提下,体系以力求布局合理、刚度均匀、力求均衡、减少扭转为布置原则。因此异形柱的合理布局是整个结构布置的关键。柱布置时,宜规整对齐,并按“密柱小梁”的布置思路,平面节点(轴线交叉点)应尽量设柱,避免主次梁搭接。柱间距一般在3m～6m之间取值(柱网尺寸不应大于6.0m×6.0m);柱应双向拉结,以形成双向刚接框架。

　　对底层大空间的异形柱框架体系,转换层下的支承柱不允许采用异形柱,应全部采用矩形柱。对底层架空层抽柱形成转换层的情况,要求楼板厚度≥150mm;上层异形柱与下层矩形框架柱面积比宜接近1;上层异形柱与下层矩形柱的重叠面积不应小于2/3。

　　值得注意的是:在结构平面布置时,有时因为建筑布局的功能、美观要求,只能设置“一字形”柱,且仅能保证一个方向有框架梁通过,此时在另一方向应沿柱肢宽增设暗梁,来保证柱平面外的刚度与稳定,且一字形柱的宽度不应小于300mm。

　　2.3 构件尺寸限制

　　(1)柱肢宽度,一般取与墙体相同的厚度(如200mm),不低于180mm和不超过250mm。若肢宽偏低会造成施工困难,偏高则导致柱体笨拙不经济,也可能造成短柱或剪跨比超限。

　　(2)肢长根据2≤肢厚比(肢长/肢宽)≤4的控制指标进行确定,且肢长不宜超过600mm。(考虑角柱扭转明显,肢长应取高值,且箍筋全长加密)。此外,异形柱剪跨比也要控制在2～4范围内。控制肢长或肢厚比的目的在于:当异形柱肢长增大时,柱刚度增大,受震害越大,因而对结构受力性能不利。若肢长过大,异形柱还可能形成短柱,使得柱肢端部受力过于集中而发生失稳破坏。因此,当异形柱肢厚比超出限制,建议改按剪力墙考虑。

　　(3)框架梁截面高度,尽量满足室内不露梁要求,但不应小于梁计算跨度的1/15,且不宜小于350mm。梁宽不小于柱肢宽及200mm。

　　2.4 材料选用

　　目前,外墙采用非承重砌体,内墙采用轻质板材,推广使用非粘土质新型墙体材料。常用轻质墙体材料主要有ALC砌块(板)、JYM页岩模数砖、砼空心砌块等,容重应≤29kN/m2。钢筋常用 HRB335、HRB400级。异形柱的混凝土强度等级不应低于C25,常用C30。

　　3、异形柱框架结构计算分析与参数控制

　　3.1 计算模型

　　对于柱、异形柱、短肢剪力墙和剪力墙等竖向构件,从截面构造上划分,比较统一的认识是:设肢截面高为h,宽为b,当矩形截面1≤h/b≤3且 h、b≥300mm时为柱;当异型截面3　　3.2 计算程序选用

　　由于异形柱截面形心往往与柱肢中轴线不重合,在水平荷载作用下,水平力通过与柱肢等宽的框架梁传至柱肢中轴线上,使柱双向偏心受压,并产生扭转力矩。显然,异形柱为双向偏心受压构件。对异形柱结构体系而言,其自身特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱框架结构不同。因此,整体计算分析时,须按空间体系考虑和采用弹性方法。

　　相应地,结构整体分析应选用具有异形柱单元的计算程序采用进行。在工程设计中,通常采用 PKPM系列之《多高层空间有限元分析软件 SATWE》进行结构分析,计算精度较高。当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA5.0)计算异形柱结构时,可按开口薄壁杆件模型进行内力分析。

　　对异形柱结构体系而言,由于异形柱截面不对称,其受力特点及抗震性能,与工程中常用的矩形柱有很多不同之处,现阶段对这方面理论分析和试验研究的资料不多,截面承载力计算还不能完全套用规范中的有关计算公式,设计条件受限。因此有许多文献建议设计中采用两种不同计算模型的软件进行计算比较,以便校核。在应用 TBSA5.0 软件计算异形柱框架结构时,一般是将异形柱截面换算成等惯性矩的矩形柱进行计算分析。在等效换算过程中,必须遵循按面积等效换算后的矩形柱刚度比与异形柱刚度比一致的原则。

　　3.3 参数选择

　　SATWE软件应用时,以下几个参数选择很关键:(1)框架抗震等级:6度区H≤22m时,四级;6度设防区房屋高度H>22m、7度区H≤22m时,三级;7度区H>22m时,二级。(2)梁柱刚性连接:电算时应注意:由于混凝土异形柱的柱肢较长,梁柱重叠部分较大,因此须点取“梁柱重叠部分作为刚域”选项进行计算;(3)柱双偏压:异形柱是双偏压杆件,须采用双偏压计算。(4)调整系数:现浇结构中梁刚度放大系数2.0,边梁刚度放大系数1.5;框架结构周期折减系数0.6～0.7。(5)对全楼强制采用刚性楼板假定。

　　3.4 计算结果合理性判别

　　内力与位移计算全部由程序完成,计算结果是否合理,以下三个参数必须满足:(1)位移:异形柱框架结构按弹性计算方法,楼层层间位移与层高之比(△u/h)应不大于1/550。(2)周期:要求结构以扭转为主的第一自振周期Tt与以平动为主的第一自振周期T1之比Tt/T1<0.9,以符合《高规》(JGJ3-2002)第4.3.5条要求。(3)轴压比:应满足省标第6.2.1条要求。对轴压比限制目的在于实现强柱弱梁,提高柱的变形能力(延性),防止出现小偏压破坏。抗震设计中柱轴压比反映柱构件的变形能力,是影响柱破坏形态的重要因素。作为异形柱延性的保证措施,柱轴压比因此从严控制。对于短柱,要求设计尽量避免,避免不了时按《规程》表6.2.1条的规定限值减小0.05取用。

　　4、异形柱的节点设计及构造要求

　　从工程实践可以知道,7度区总高度不超过24m的建筑,只要其周期、层间位移、抗扭刚度、轴压比等能满足规范的要求,异形柱一般都是构造配筋。因此,节点构造设计是结构设计必须重视的环节。尤其以下几点设计中应该注意:(1)柱筋不应在各层节点处切断;间节点处,梁筋应尽量贯穿。目的是保证节点变形协调能力,同时减少钢筋头也方便施工。柱筋应采用焊接或机械连接。(2)异形柱纵向受力钢筋的布置以柱肢截面的外、内折角处均应设置为原则(间距≤200mm),其直径要求是14mm≤d≤25mm(钢筋直径太大时,因构件尺寸小会导致粘结强度不足、节点钢筋设置困难,太小则影响柱的延性),常用Φ16mm、Φ18mm、Φ20mm、Φ22mm;同一截面内,纵向受力钢筋宜采用相同直径,且梁端和柱肢的钢筋根数尽可能采用两根(不超过三根),以防止梁柱节点处的钢筋过密和妨碍混凝土的浇捣,及保证梁柱节点的受力性能。全部纵向受力钢筋的最小配筋率,应满足《规程》第6.3.3、6.3.4条的规定,如三级框架时,中柱和边柱不应小于0.7%,而角柱不应小于0.9%。最大配筋率则不应大于3%。柱的纵向构造钢筋间距≤200mm,钢筋型号一般比受力筋低二级(便于识别)且不小于￠14,构造筋采用拉筋拉结,拉筋间距一般为箍筋的2倍;笔者认为计算最大配筋率时应包含构造筋。(3)各层楼盖竖向荷载都通过梁作用于柱肢端部,使该部位局部压力较大,建议设置暗柱,尤其是“Z”型柱。(4)梁纵筋直径d≤22mm,且≤1/ 25·hc(hc为与梁跨同向的墙肢截面高度)。梁最大配筋率按《规程》表6.5.5,如C30砼、HRB335钢筋时,ρmax=1.9%;(5)相邻梁跨上(下)部钢筋应采用相同型号钢筋并尽量拉通,不能拉通时则锚入节点Lac;边节点处,梁筋伸入节点内水平段长度应≥0.45Lac ,竖向弯折段应≥15d;梁筋自柱筋内侧弯入节点处,应按《规程》6.5.3条要求,设置梁侧构造筋和梁端附加封闭箍筋。(6)异形柱的箍筋直径不应小于8mm,间距不应大于150mm。箍筋常用Φ10@100/150。短柱、Z形柱和二级抗震时的角柱,其箍筋应全长加密;异形柱箍筋为复合封闭式箍筋(禁止采用有内折角的箍筋),末端应做成 135°的弯钩,弯钩端头直段长度应≥10d(d为箍筋直径),且≥75mm。(7)节点核心区体积配箍率,按《规程》6.5.7条要求。(8)异形柱纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度《规程》第6.1.5条不应小于20mm,且不应小于纵筋直径d,但根据砼规范(GB50010-2002)第 9.2.1条规定,应该取用30mm。

　　5、设计中应注意的有关问题探讨

　　(1)工程实际总与理论有一定距离,建筑功能布置的多样化、新潮化,使得异型框架柱布置常常无法实现刚度均匀的要求,例如,厨房、卫生间、楼梯等区域因朝向等考虑往往集中某侧布置,使得柱网布置较密,这样就容易造成刚度中心偏向而形成扭转。在异形柱框架体系中,由于结构很难对称,扭转往往是主要矛盾。因此,设计中应该考虑适当的抗扭转措施,以符合概念设计要求。在异形框架结构设计中,当刚心与质心不一致,结构在地震作用下可能有较严重的扭转作用时,可以适当使用斜支撑结构以提高结构抗扭性能。

　　(2)在一些异形柱框架结构中存在错层、跃层,局部梁柱线刚度比远大于一般情况的梁柱线刚度比,虽然满足轴压比限值要求,但不能满足强柱弱梁(提高框架柱的延性)的概念设计要求。这时,有必要根据规范要求对柱刚度进行加强处理,处理措施有:1)梁与柱连接按铰接处理,虽然要求多层框架结构尽量纵横向刚接,但铰接可有效减少梁端弯矩对柱的不利影响。2)适当加大错、跃层位置柱的截面尺寸以提高柱的刚度,但这样也容易造成个别短柱。短柱全高范围内箍筋按加密区对待。3)控制柱肢纵筋间距不能超过200mm,超过时应配置d≥14mm的构造纵筋并设拉结筋,以增强柱肢稳定性。

　　(3)异形柱框架结构的基础设计,与普通框架结构基础设计相似,但有其特殊性。如基础设计时,同矩形柱基础一样,应注意基础形心与异型柱形心重合,或与上部荷载重心重合,以避免偏心受压。但由于异型柱截面的特异性,对柱下独立承台或独立基础,单柱时需要首先计算异型柱的形心位置, 然后以柱的形心与基础形心重合来确定承台的形心位置,进而进行布桩(当为桩基时);对双柱或多柱承台,也应首先算出各柱的形心位置,然后根据各柱的柱底内力计算出荷载的重心作用位置,最后以荷载重心确定承台的形心以及布桩。基础抗冲切验算,笔者认为可参照矩形柱的验算方法进行。

　　6、结语

　　目前民用建筑,市场需求是日益朝着大开间、大空间方向发展,给异形柱框架结构体系带来了广泛应用的前景,尤其,在地震烈度7度及以下地区,它不失为一种安全、经济的结构方案选择。作为结构设计人员, 需要我们善于思考、勤于总结、积累经验,利用正确的概念进行设计,使异形柱结构体系逐渐地得到发展、推广和应用。