钢筋混凝土异形柱框架结构的设计.doc

钢筋混凝土异形柱框架结构的设计 【摘 要】近年来，城市化建设步伐的不断加快，混凝土异形柱框架结构一定会有越来越广泛的应用，只有在设计中充分了解异形柱的受力特点和其破坏机理，选用合理的结构布置，正确使用计算分析方法，其结构才会安全可靠。 【关键词】异形柱；框架结构；结构设计 前言 随着建筑业的不断发展，人们对城市住宅建筑的要求也越来越高，普通的矩形框架柱会给室内装饰和家具布置带来极大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面积，这对住宅结构设计提出了一项新的要求。异形柱框架结构主要应用于多层住宅，填充墙采用粉煤灰加气混凝土砌块，厚度与异形柱（T形边柱，十字形中柱，L形角柱等）肢厚相同，室内不出现柱楞，异形柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求，兼备了框架及剪力墙结构体系的优点，它将是今后住宅结构体系的发展方向之一。 1 异形柱结构的受力机理分析 1.1 承载能力 异形柱的截面形式主要有T形、十字形、L形和Z形（较少采用）等，L形多用于墙转角，T形和十字多用于纵横墙交接处。由于截面的这种特殊性，其墙肢平面内外两个方向的刚度相差较大，各个方向的承载力也有较大差异。 1.2 变形特征 异形柱的肢厚一般为200250mm，为了获得足够的承载能力，异形柱的肢长一般不会太小，由此会容易造成剪跨比过小，形成短柱。由于肢厚较小，为薄壁构件，剪切中心与截面形心往往不重合，变形以剪切为主，构件的变形能力下降。由于异形柱属于薄壁构件，也会因截面曲率M/EI较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。 1.3 破坏机理 异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面之外，受力时要靠各柱肢交点处核心混凝土的协调变形。这种变形协调，使各柱肢内存在比较大的翘曲应力和剪应力。国内外大量的试验资料和理论分析表明，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等。影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、剪跨比、配筋率以及箍筋间距与纵筋直径D的比值等。 异形柱由于其截面的特殊性及受力性能的复杂性，在设计中必须通过可靠的计算分析和必要的构造措施，来保证其强度和延性。 2 工程实例 根据建筑使用功能要求，本工程采用现浇钢筋混凝土异形柱框架结构，在两个方向均有拉结。柱网均在5m以内，局部设置矩形柱，异形框架柱、梁宽均为200mm。砖砌填充墙采用淤泥保温砖，内墙采用加气混凝土砌块。 3 多层异形柱框架建筑结构整体分析 3.1 计算原理与参数 PKPM-SATWE采用数值计算原理和迭代方法，将受压区混凝土划分为若干个小单元，利用截面假定确定小单元各点的混凝土和钢筋应变，由混凝土和钢筋的应力应变关系曲线求得混凝土小单元和各根钢筋的应力，建立平衡方程，通过迭代方法求出所需配筋面积。 本工程结构混凝土强度等级采用C30，纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋（D20mm），箍筋采用HRB300级钢筋。 由于结构平面不规则性，考虑双向地震作用，地震作用分析方法采用侧刚分析方法。 3.2 结构自振周期 3.5 层间位移角 4 异形柱框架结构设计中的优化措施 4.1 异形柱框架结构设计中的优化措施 从以上分析可以看出，异形柱结构与矩形柱结构在性能上存在较大差异，设计过程中应重点控制和优化对异形柱结构整体性能影响较大的内容，具体如下： （1）调整异形柱平面框架布置形式，使其刚度中心尽量与形心重合，相应调整异形柱柱肢高，使其满足扭转与平动第1周期比T3/T10.9，以此减小扭转效应对结构的不利影响。 （2）异形柱的方向性较强，在进行整体计算分析时，应增加45°和-45°风和地震作用方向的计算，保证结构的安全度。 （3）Z形柱本文未详细分析，其剪切中心与形心虽然重合，但框架梁往往布置在两翼，不可避免地产生翘曲应力，故设计时，建议将框架分析所得的截面弯矩乘以1.151.25的增大系数以考虑翘曲应力的影响。 （4）异形柱受力后，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上，应力产生不均匀性。一般越靠肢端，应力越大，对柱肢形成偏心压力，因而在异形柱配筋时，应在肢端设置暗柱，离端部厚度范围内设214的构造钢筋，箍筋同柱，可限制柱肢混凝土裂缝开展，提高异形柱局部抗压、抗剪强度及变形能力。 4.2 异形柱混凝土节点核心区处理措施 梁柱节点是异形柱结构的薄弱部位。由于节点的作用是将本层和上层荷载通过核心区传至下层柱中，其作用力为与节点相连的梁端和柱端弯矩、轴力、剪力、扭矩，受力非常复杂。异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架粱柱节点核心区的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节。因此必须对异形柱框架节点核心区进行受剪承载力计算，首先限制节点核心区截面，避免截面太小混凝土承受过大的斜压力，导致核心区混凝土首先被破坏；其次是控制节点核心区配箍面积，保证节点受剪承载力，改善节点的抗震性能；还有可以采取各类有效措施，如两端增设支托或水平加腋等构造措施，提高混凝土强度等级措施，以提高和改善粱柱节点核心区的受剪性能。 5 结语 综上所述，异形柱结构由于具有不出现柱楞，不露梁，并能够增加使用面积等优点，以及民用建筑市场朝着大开间、大空间方向的发展，应用前景将日益广泛。结构设计时应根据其受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的结构形式，正确掌握分析方法，其结构才能有可靠的安全保证。 参考文献： 1中华人民共和国建设部.混凝土异形柱结构技术规程（JGJ149-2006）S.北京：中国建筑工业出版社，2006. 2杨正海，潘文，何玲等.水平地震作用方向对异形柱结构整体分析的影响口.世界地震工程，2006，22. 3宋穗徽.混凝土异形柱框架结构的设计探讨J.工程与建设，2007，21 4何惟雄.框架结构强柱弱梁分析及设计改进建议J.山西建筑，2009，35（9）：93-94. 5林喜斌，卢传香.对异形柱框架结构设计的综合分析J.园林、建筑与规划设计，2008（6）：87-88.6