異形柱在小高層住宅中的應(yīng)用

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論文摘要
無錫廣瑞花園小區(qū)工程位于無錫市廣勤路的北側(cè)。小區(qū)由8棟住宅樓組成，最低7層，最高11層。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震加速度為 0.05g，地震分組為第一組,Ⅲ類場地土；基本風(fēng)壓為 0.45KN/m2;地下為1層聯(lián)體地下室，基礎(chǔ)采用梁板式筏基。該結(jié)構(gòu)處在6度地震設(shè)防區(qū)，且房屋高度未超過34米，所以首先想到的結(jié)構(gòu)形式是采用異形柱框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對軸壓比的控制要求的，適當(dāng)?shù)脑黾恿硕讨袅?，并在電梯間的位置設(shè)置了剪力墻核心筒。這種由異形柱、短肢剪力墻和電梯剪力墻核心筒形成的框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系既解決了矩形柱影響住戶使用的問題，又形成了預(yù)防地震破壞的多道防線，從而有效的保證了建筑物的安全。在地震烈度較低地區(qū)的小高層建筑，采用異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)是一種安全、合理的結(jié)構(gòu)方案。有效地控制構(gòu)件的軸壓比，并通過對結(jié)構(gòu)不斷地優(yōu)化設(shè)計，最終能達(dá)到建筑功能、結(jié)構(gòu)可靠合理、經(jīng)濟(jì)合理等方面的和諧統(tǒng)一。
一、工程概況
 無錫廣瑞花園小區(qū)工程位于無錫市廣勤路的北側(cè)。小區(qū)由8棟住宅樓組成，最低7層，最高11層。地下為1層聯(lián)體地下室，基礎(chǔ)采用梁板式筏基。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震加速度為 0.05g，地震分組為第一組，Ⅲ類場地土；基本風(fēng)壓為 0.45KN/m2 。
二、上部結(jié)構(gòu)選型及計算
 考慮到在住宅樓中使用矩形柱將影響住戶的使用，該結(jié)構(gòu)又處在6度地震設(shè)防區(qū)，且房屋高度未超過34米，所以首先想到的結(jié)構(gòu)形式是采用異形柱框架結(jié)構(gòu)。初步試算時許多異形柱是不能滿足江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對軸壓比的控制要求的，而適當(dāng)?shù)脑黾佣讨袅冉鉀Q了這個問題，又增加了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性；另外窗與窗之間的距離一般在1.0到1.4米之間，如果使用異形柱，從柱到窗邊10公分到30公分的距離就要用填充墻砌筑，而兩種不同的材料會在后期的使用過程中出現(xiàn)裂縫，影響用戶正常使用，所以在此處使用短肢剪力墻也是必然的結(jié)果。從截面性質(zhì)來看剪力墻延性最大，其次是短肢剪力墻，異形柱最小，所以我們在電梯間的位置設(shè)置了剪力墻核心筒。之后通過對墻、柱布置和截面的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下，其周期、層間位移、抗扭剛度等都能很好地滿足規(guī)范規(guī)定的要求，各構(gòu)件在外力的作用下都能充分發(fā)揮各自的潛能；基本保證了各異形柱的剛度均勻，軸壓比比較接近，而且異形柱都是構(gòu)造配筋。這種由異形柱、短肢剪力墻和電梯剪力墻核心筒形成的框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系既解決了矩形柱影響住戶使用的問題，又形成了預(yù)防地震破壞的多道防線，從而有效的保證了建筑物的安全。
三、設(shè)計中應(yīng)注意的若干問題
1、異形柱的截面設(shè)計
1.1應(yīng)避免使用“一”和“Z” 形柱截面。“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風(fēng)荷載作用下還是在地震作用下結(jié)構(gòu)中的柱一般都是同時受到兩個方向彎矩的同時作用，其受力后正截面承載力很弱。“一”形柱在雙向剪力作用下性能也不好，由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010柱雙向受剪承載力計算公式可見，柱截面相鄰兩邊長度相差越多，其斜向受剪承載力越低。“Z”形截面柱與“一”形截面柱類似，即兩主軸方向抗彎能力相差甚大，如圖示。 其正截面受彎及雙向受剪性能與“一”形截面柱相差不多。
1.2  L、T、+形截面的兩個正交方向的肢長或肢厚可以不相等，但要滿足柱肢長度與柱肢厚度之比不大于4及柱凈高與柱截面肢長之比不小于3這兩條要求。如果，截面一個肢長為800mm，若另一肢肢長小于500mm，則柱的雙偏壓計算表明，該柱的兩軸抵抗彎矩圖是一個很扁的橢圓，即兩軸的抵抗彎矩值相差很多，和“一”形柱截面的情況很接近。
1.3 柱截面肢長不可過短，由于一般異形柱肢較?。?00mm或250mm），再加上肢長較短，此時柱上節(jié)點(diǎn)核心區(qū)過小，節(jié)點(diǎn)的受剪承載力可能不足。
1.4 平面布局較為規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)要在結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向及與兩主軸呈45°方向應(yīng)分別計算水平地震作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算，形柱截面主軸與結(jié)構(gòu)主軸大致呈45°方向，對兩主軸呈45°方向計算水平地震作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算是應(yīng)該和必要的。
1.5由于異形柱的兩個最為薄弱的環(huán)節(jié)是節(jié)點(diǎn)受剪承載力與柱的延性性能，而異形柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋間距在施工中不易保證，所以應(yīng)在設(shè)計說明中強(qiáng)調(diào)保證異形柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋間距的問題。
1.6異形柱截面上受力縱筋的位置如下圖所示。
 
 
2、框架梁截的設(shè)計
2.1 異形柱結(jié)構(gòu)框架梁截面高度抗震設(shè)計時不應(yīng)小于400mm，從而保證了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)異形柱鋼筋粘結(jié)應(yīng)力不致過大，避免節(jié)點(diǎn)區(qū)柱縱向鋼筋全長粘結(jié)破壞、現(xiàn)象發(fā)生。
2.2 應(yīng)嚴(yán)格禁止框架梁搭在異形柱柱肢和剪力墻墻身的短邊方向，因?yàn)榱褐▔Γ┕?jié)點(diǎn)的核心區(qū)面積只有柱（墻）厚乘梁寬的范圍內(nèi)，承受不了它受到的節(jié)點(diǎn)剪力，另外框架梁的水平錨固長度也很難滿足要求。
2.3 由于建筑隔墻一般為200mm厚，異形柱和框架梁一般也為200mm厚，框架梁縱筋穿越異形柱時要在柱縱筋內(nèi)側(cè)通過，梁上下受力縱筋每層應(yīng)只配兩根，以保證核心區(qū)混凝土的振搗質(zhì)量和施工時的易操作性。且梁的縱筋直徑不應(yīng)大于22mm。
 
2.4 短肢剪力墻截面高度與厚度之比為5～8，所以當(dāng)短肢剪力墻做為樓面梁的中間支座時，梁的上部縱筋應(yīng)在短肢剪力墻中貫通。如果短肢剪力墻兩側(cè)梁的上部縱筋直徑不同，則兩側(cè)梁的上部縱筋分別在短肢剪力墻中錨固，這樣對短肢墻在墻、梁節(jié)點(diǎn)處的受力是非常不利的。
四、剪力墻與異形柱結(jié)構(gòu)受力分析與探討
1. 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)
對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，因其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同，可采用三維桿-系簿壁柱空間分析方法或空間桿-墻組元分析方法，其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實(shí)際情況，精度較高。雖然三維桿系-簿壁柱空間分析程序使用較早、應(yīng)用較廣，但對墻肢較長的短肢剪力墻，應(yīng)該用空間桿-墻組元程序進(jìn)行校核。
在進(jìn)行以上分析后，按《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》進(jìn)行截面與構(gòu)造設(shè)計，相對于異形柱結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)踐較為成熟，但這種結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍然有需要引起重視的方面。
1.1短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應(yīng)加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率。
1.2高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主，底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力，由一些模型試驗(yàn)反映出外周邊墻肢開裂，因而對外周邊墻肢應(yīng)加大厚度和配筋量，加強(qiáng)小墻肢的延性抗震性能。短肢墻應(yīng)在兩個方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢；
1.3各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時用長肢墻來調(diào)整剛度中心。
1.4高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應(yīng)在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁要求，控制混凝土壓區(qū)高度，其梁端負(fù)彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70%-80%來解決，按強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)柱弱梁的延性要求進(jìn)行計算。
2．異形柱結(jié)構(gòu)
異形柱結(jié)構(gòu)是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，截面形式常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：
①由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。
②對于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h<4），剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ(εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變，χ為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。
③異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯。
④特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內(nèi)外大量的試驗(yàn)資料和理論分析[1]，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強(qiáng)度和延性。
在進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除滿足高規(guī)中對結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個方面的問題：
(1)異形框架的計算
由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應(yīng)力很小，此時如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按混凝土設(shè)計規(guī)范計算。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件目前，國內(nèi)可直接進(jìn)行異形柱截面內(nèi)力計算和截面設(shè)計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序。這些程序均用數(shù)值積分法進(jìn)行正截面配筋設(shè)計，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。
(2)軸壓比控制
對框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響混凝土柱延性的一個關(guān)鍵指標(biāo)。由試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析[2]，柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使混凝土柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。
在江蘇規(guī)程中對軸壓比有嚴(yán)格的要求。異形柱適用高度較低，一般為35 m。當(dāng)高層建筑的高度進(jìn)一步加大時，其水平力的影響會越來越顯著，對結(jié)構(gòu)的延性要求也越高。為在實(shí)際工作中便于使用，可按不同的截面形式（L、T、十字型）與不同的抗震等級兩項(xiàng)指標(biāo)從嚴(yán)控制，對低烈度地區(qū)的這類結(jié)構(gòu)是能夠滿足其延性要求的。

五、異形柱與短肢剪力墻共同使用的好處
1、結(jié)合建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。
2、異形柱和短肢剪力墻的數(shù)量可多可少，肢長可長可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置。
3、能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單。
4、連接各墻的梁，隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)，可隱蔽。
5、根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，較易滿足剛度和強(qiáng)度要求。
6、由異形柱、短肢剪力墻和電梯（樓梯）間核心筒形成三道抗震設(shè)防。
六、結(jié)論
在地震烈度較低地區(qū)的小高層建筑，采用異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)是一種安全、合理的結(jié)構(gòu)方案。合理地控制構(gòu)件的軸壓比，并通過對結(jié)構(gòu)不斷地優(yōu)化設(shè)計，最終能達(dá)到建筑功能、結(jié)構(gòu)可靠合理、經(jīng)濟(jì)合理等方面的和諧統(tǒng)一。
[參考文獻(xiàn)]
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2、DB29-16-98.大開間住宅鋼筋混凝土異形柱輕框結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］
3、江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》
4、中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)章》（征求意見稿）
5、《SATWE用戶手冊及技術(shù)條件》
6、現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)范