異形柱結構設計問題綜述

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1概述

住宅開發商及用戶對建筑住宅中柱甚至主梁不突出墻面的呼吁，日益高漲，從而極大地推動了柱截面形式的變革，促使異形柱結構的誕生，并在全國廣大地區蓬勃發展。異形柱指的是除矩形、圓形以外的截面形式，如T形、十字形、形等截面形式它的優點是，柱肢基本與填充墻等厚，使室內不出現柱楞，便于室內靈活布置，又可增加使用面積。異形柱結構分為異形柱框架結構和異形柱框架一剪力墻結構，各種結構各有不同的適用高度，且均比普通柱結構要求更嚴。

2異形柱的受力性能

2．1承載能力

異形柱不同于矩形柱，它由多肢組成，柱肢截面高度與柱肢寬度的比值一般在2～4，墻肢平面內外2個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。

2．2變形特征

一般住宅的層高在2_8～3．0m，異形柱肢厚在200mm左：占，異形柱為了獲得足夠的承載力，肢長一般不會太小，這就容易造成柱剪跨比過小，形成短柱(柱凈高H／柱肢長h小于4)，以剪切變形為主，構件變形能力下降。即使存在軸壓比較小的柱H／h>4，由于異形柱屬薄壁構件，也會因截面曲率M／EI或ecufX(ecu為混凝土的極限壓應變，x為截面受壓區高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。

2．3破壞機理

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處核心混凝土協調變形，這種變形協調，使各柱肢內存在比較大的翹曲應力和剪應力。而該剪應力的存在，使柱肢極易先出現裂縫，即產生腹剪裂縫，使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態，導致異形柱脆性增加，使得異形柱較普通截面柱變形能力低。同時，異形柱存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差，不對稱截面導致不對稱延性。當荷載作用在腹板平面內，翼緣在受拉側，異形柱小偏壓脆性破壞；翼緣在受壓側時，異形柱大偏壓延性破壞。由國內外大量的試驗資料和理論分析表明，異形柱的破壞形態為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等。影響其破壞形態的因素有：荷載角、軸壓比、剪跨比、配箍率以及箍筋問距S與縱筋直徑d的比值等。異形柱由于其截面的特殊性及受力性能的復雜性，在設計中，必須通過可靠的計算分析和必要的構造措施，來保證其強度和延性。

3異形柱的計算分析

3．1計算方法

在低烈度區，且水平力作用在截面對稱軸內時(如異形柱為十字形)，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按混凝土設計規范計算。而在高烈度區，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱結構進行有限元分析，決定內力和配筋位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時，應選用帶有異形柱計算功能的軟件，如中國建筑科學研究院的TAT，SATWE程序等。TBSA軟件不能直接輸入異形柱的截面形式，需按柱子雙向剛度相等原則，將異形截面簡化為矩形截面，但此時存在面積誤差，同時，柱截面形心主軸的角度也發生了變化，進而影響構件內力的計算及其它計算結果，同時柱的定位、梁的計算長度，都存有問題。TAT，SATWE程序可直接輸入異形柱的截面，不存在這一類問題。在計算異形柱的剛度時，以其主形心的主軸坐標為參考點，求出異形柱主形心慣性矩，與之相連的梁的剛度也均向異形柱主形心疊加。計算時，按材料力學的經典公式，求出各種異形截面在主軸的慣性矩和方向角，并建立主軸的單元剛度，與梁元剛度、墻元剛度一起，參與結構的整體分析，分析更為合理。

3．2計算模型

由于在實際工程中，所布置的豎向構件往往不全是異形柱，其中經常會混合采用墻肢相對較長的剪力墻(一般剪力墻或部分短肢剪力墻)，形成異形柱框架一剪力墻結構。在這類結構的計算模型輸入時，有的設計人員常會把異形柱，按短肢剪力墻輸入，有的甚至將異形柱框架結構的全部異形柱，按短肢剪力墻輸入，這樣勢必造成計算誤差，而且發現有些構件的誤差會影響結構、構件的安全。如框架梁，按異形柱輸入的，粱長取兩端異形柱形心長度；而按短肢剪力墻輸入的，梁長取墻肢端點長度，兩種方法引起梁內力、配筋有較大出入。下面舉例分析2種輸入方法引起的自振周期、地震作用及結構側移，結構內力的差異。例：某結構柱網尺寸為4．2rex4．2m，平面布置見圖1。共4層異形柱框架結構，層高3．0m，8度，Ⅱ類場地，主梁200mmX500mm，次梁200mmX400mm，混凝土強度等級C25，樓面靜、活荷載標準值分別取4．5kN／m，2．0kN／m，梁上墻的線荷載標準值取7．5kN／m。模型1全按異形柱形式輸入，模型2周邊異形柱按短肢剪力墻形式輸入。用TAT軟件進行抗震分析比較，結果見表1。計算結果反映出：按短肢剪力墻形式輸入的模型2，同模型1相比，自振周期小了10．4％，地震作用大了15．2％，結構側移小了32％，結構內力均較模型1小。算例分析表明，不同的計算模型無論對異形柱結構體系的自振周期、結構側移，還是基底彎矩和剪力、梁柱內力都產生了很大的影響。因此，在實際工作抗震分析時，需要注意以下幾點：①對于肢長與肢寬之比不大于4的異形柱，由于它已接近柱的特征，應采用異形柱形式輸入；②對于肢長與肢寬之比稍大于4的，不應采用過高的軸壓比，宜接異形柱套用。另外，建議對異形柱結構體系，宜采用2種不同計算模型的軟件(如TAT，SATWE)進行計算分析，以便校核。

4軸壓比的控制

對框架結構，框一剪結構，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鍵指標，柱的側移延性，隨著軸壓比的增加而急劇下降。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重要。特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使混凝土柱肢先于普通矩形壓剪構件出現裂縫，產生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致柱脆性增加，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格控制。在目前設計過的工程中，由于本地建筑主管部門的嚴格控制，異形柱結構的適用高度，一般不高，異形柱的軸壓比不會太大，一般可控制在比普通柱結構規范規定的限值小O_3的水平。另外，不同的柱截面形式，如L形、T形、十字形，在相同水平側移下，其延性性能也有較大差異，對雙向對稱的十字形，軸壓比限值可適當放寬，而雙向均不對稱的L形就應嚴格控制，T形次之，這與結構布置中的角柱軸力小，布置L形，邊柱，布置T形，中柱軸力大，布置十字形基本吻合。

5結構構造

5．1配筋構造

在正確的結構選型及計算后，截面內鋼筋的構造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現較人應力，加上梁作用于柱肢上應力的不均勻，一般越靠肢端應力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大了肢端壓應力。因而在異形柱配筋時，縱向受力鋼筋應按計算所需，集中布置在肢端和柱肢交接的內折角區域，其余部位均勻設置間距不大于200mm的構造鋼筋，直徑可用14mm，并設拉筋，拉筋直徑和間距可同柱箍筋，這樣可限制柱肢的混凝土裂縫的開展，提高異形柱局部抗剪強度及變形能力。柱箍筋由計算確定，箍筋的設置不僅能抗剪，也可約束混凝土變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標好，因而箍筋可用4,8，4,10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

5．2其余構造

5．2．1材料要求

(1)混凝土的強度等級不應低于C25，且不應高于C50。C50級以上的混凝土在力學性能等方面，與一般強度混凝土有著較大的差異；

(2)縱向受力鋼筋宜選用高強的HRB400，HRB335級鋼筋。高強鋼筋的采用，使鋼筋直徑不至于過大，且減少了根數便于布置；若鋼筋直徑過大，則會造成錨固和節點構造的施工困難。

5．2．2截面要求

(1)異形柱截面各肢肢高、肢厚比，不應大于4，肢厚不應小于200mm。肢厚小于200mm時，會造成梁柱節點核心區的鋼筋設置困難及鋼筋與混凝土的粘結錨固強度不足，難以保證結構的安全且施工不便。

(2)異形柱不應采用一字形和z字形。一字形截面柱由于柱肢薄且沒有翼緣的約束，平面外剛度較差，特別是一側搭梁時，在地震作用下極易產生破壞。z字形截面柱受力復雜，柱肢存在翹曲應力和剪應力，柱腹板還存在較大的扭矩作用，易造成復雜應力作用下的破壞。(3)盡可能地避免短柱和極短柱，異形柱的剪跨比宜大于2，減小地震作用下發生脆性粘結破壞的危險性。

6節點核心區受剪承載力

由異形柱的截面特性，決定了梁柱節點核心區域面積較小，而梁柱縱筋交匯使得箍筋配置不可能太多。為了滿足抗剪承載力的要求，只能提高混凝土的標號，但隨之帶來的問題是構件變脆，同時與梁板混凝土強度的協調也成問題，有時為了個別柱的需要，而使全部柱的混凝土標號提高，也造成了投資上的浪費。為了解決這一問題，我們在已建成的工程中采用了在節點核心區的柱內加豎向鋼板的方法，鋼板伸過節點核心區上下一定的長度錨固，按鋼板與混凝土協同工作來計算分析，確定鋼板的截面尺寸。最終設計的結果是鋼板截面尺寸較小，不影響梁柱鋼筋的布置，且鋼板設置靈活，哪里需要哪里加。該工程已建成使用，效果較好。

7結語

異形柱結構自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形(圓形)柱結構不同，設計中應根據其受力的特點，充分了解其破壞的各種機理，選用合理的結構布置形式及計算模型，正確掌握計算機分析方法和結構構造，保證結構的安全可靠，以便促進這種有著較大市場需求的異形柱結構體系的健康發展。