淺談異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

關(guān)鍵詞：異形柱結(jié)構(gòu)；截面選形；軸壓比控制；構(gòu)造措施 

　　1　概述  

　　異形柱結(jié)構(gòu)是大力推行住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化而發(fā)展起來(lái)的新型住宅結(jié)構(gòu)體系，已被列為當(dāng)前我國(guó)住宅建設(shè)中五種主要結(jié)構(gòu)體系之一。異形柱結(jié)構(gòu)主要用于住宅、平面及豎向比較規(guī)則的一般民用建筑、別墅等。所謂異形柱結(jié)構(gòu)，就是以T形、L形、十形的異形截面柱代替一般框架柱作為豎向支承構(gòu)件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，以避免框架柱在室內(nèi)凸出，少占建筑空間，改善建筑觀瞻，為建筑設(shè)計(jì)及使用功能帶來(lái)靈活和方便性。采用輕質(zhì)高效的墻體材料，減輕結(jié)構(gòu)自重。由于異形柱結(jié)構(gòu)是我國(guó)自主創(chuàng)新的一種新型結(jié)構(gòu)體系，一方面，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究和理論分析資料不及其他結(jié)構(gòu)體系完善，且缺乏結(jié)構(gòu)震害資料。另一方面，異形柱的特性較普通矩形柱更為復(fù)雜。因此，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意，應(yīng)根據(jù)異形柱特點(diǎn)合理進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面，筆者根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題作一些探討，供同行參考。 　 

　　2　異形柱結(jié)構(gòu)中應(yīng)注意的問(wèn)題  

　　2.1　結(jié)構(gòu)布置和異形柱選形 

　　由于異形柱結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的特殊性，首先在結(jié)構(gòu)布置和異形柱選形上應(yīng)注意。異形柱不同截面形狀性能不同；相同截面形狀但肢高與肢厚比不同時(shí)性能也不同；當(dāng)所受荷載方向不同時(shí)性能又有差異；若截面形狀不對(duì)稱時(shí)性能更為復(fù)雜。因此，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，除了嚴(yán)格遵守《砼異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《異形柱規(guī)程》)有關(guān)條文外，抗側(cè)力構(gòu)件力求合理均勻布置，減小結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過(guò)大的偏心和扭轉(zhuǎn)，特別是異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)布置合理與否，將導(dǎo)致平面是否規(guī)則、偏心和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是否改善、對(duì)抗震是否有利的大問(wèn)題。合理的結(jié)構(gòu)布置根據(jù)建筑平面而定，如圖1所示，由于平面形狀為T形，樓梯間、電梯井位于中部連接部位，屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對(duì)抗震性能不利。在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，當(dāng)樓梯間、電梯井布置為實(shí)體剪力墻，雖增強(qiáng)了連接部位樓梯間、電梯井樓板較大削弱處的剛度，但加大了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。將剪力墻均勻布置在周邊，樓梯間、電梯井布置為開(kāi)洞剪力墻和一般框架柱，既改善了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的周期比和位移比滿足要求，也保證了樓梯間、電梯井薄弱處抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，改善結(jié)構(gòu)的整體受力性能。 

　　在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，異形柱選形也至關(guān)重要。試驗(yàn)和理論分析表明，異形柱截面中＋形截面承載力高于T形，T形又高于L形，L形截面柱抗震性能最差，盡量少用。如結(jié)構(gòu)布置中基本為L(zhǎng)形柱，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)很多指標(biāo)難以算下。另外，宜采用等肢等厚異形柱。當(dāng)不等肢時(shí)，兩肢肢高比不宜大于1.6；不等厚時(shí)，肢厚差不大于50mm，且最小肢長(zhǎng)不應(yīng)小于500mm，最小肢厚不應(yīng)小于200mm。工程中經(jīng)常出現(xiàn)門邊L形柱肢長(zhǎng)小于500mm現(xiàn)象，此時(shí)建議將長(zhǎng)肢加長(zhǎng)為短肢墻，否則肢長(zhǎng)小于500mm的異形柱附加偏心矩取值不符合規(guī)范要求，且對(duì)框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不利。避免混合使用等肢和不等肢的異形柱，否則異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載方向不同會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的差異，對(duì)地震作用計(jì)算非常不利。 　 

　　2.2　異形柱軸壓比控制和梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)計(jì)算 

　　異形柱軸壓比控制和梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算是異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩大特色。由于異形柱與矩形柱在截面特性、內(nèi)力、變形及抗震性能上均有較大差異，《異形柱規(guī)程》專門針對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定了相應(yīng)的條文規(guī)定，且比其他規(guī)程要求嚴(yán)格。例如6度區(qū)應(yīng)進(jìn)行地震作用計(jì)算及結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算，應(yīng)進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算等。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，我們應(yīng)特別注意控制柱軸壓比和進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算的條文規(guī)定。由于異形柱截面的特殊性，其抗震性能較弱，為滿足國(guó)家抗震設(shè)防要求，保證結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗震延性，根據(jù)異形柱截面雙向偏壓柱的工作機(jī)理，分析影響各種截面形狀柱的截面曲率延性的主要因素，通過(guò)分析框架位移延性與梁、柱構(gòu)件截面曲率延性之間的相互關(guān)系及大量的電算分析，得到了在不同抗震等級(jí)下異形柱軸壓比與配箍特征值的關(guān)系，據(jù)此給出了小于普通柱軸壓比的異形柱軸壓比限值。此限值是結(jié)構(gòu)體系抗震性能的保證，設(shè)計(jì)中尤其注意應(yīng)使構(gòu)件滿足此限值，特別是對(duì)一些平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)更應(yīng)嚴(yán)格控制。 

　　梁柱節(jié)點(diǎn)是異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由于節(jié)點(diǎn)的作用是將本層和上層荷載通過(guò)核心區(qū)傳至下層柱中，其作用力為與節(jié)點(diǎn)相連的梁端和柱端彎矩、軸力、剪力、扭矩，受力非常復(fù)雜。矩形截面柱節(jié)點(diǎn)由于正交方向梁對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)砼的約束作用，具有一定的受剪承載力，對(duì)非抗震和三、四級(jí)抗震等級(jí)節(jié)點(diǎn)，不用對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行受剪力承載力計(jì)算，僅需滿足抗震構(gòu)造措施要求，只對(duì)一、二級(jí)抗震等級(jí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算。而異形柱框架節(jié)點(diǎn)卻不同。由于異形柱截面的特點(diǎn)，正交方向梁截面的寬度與柱接觸面積較小且偏置，對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)砼難以達(dá)到約束。試驗(yàn)表明，同等截面面積的異形柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力低于矩形柱。由于異形柱剪壓比與矩形柱相差3倍，容易在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生阻壓應(yīng)力，使砼壓壞，因此必須對(duì)異形柱框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算，無(wú)論是非地震區(qū)或地震區(qū)(包括高、低抗震區(qū))均應(yīng)計(jì)算，這是異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須執(zhí)行的強(qiáng)制性條文。首先限制節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面，避免截面太小砼承受過(guò)大的斜壓力，導(dǎo)致核心區(qū)砼首先被壓碎破壞。其次是控制節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍面積，保證節(jié)點(diǎn)受剪承載力，改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能。  

　　2.3　構(gòu)造措施 

　　合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造措施是至關(guān)重要的。為了保證各構(gòu)件間和內(nèi)部傳力直接、明確、合理，并具有足夠的耐久性，必須采取構(gòu)造措施。鑒于異形柱與矩形柱在截面、內(nèi)力和變形、抗震性能等的差異，異形柱的構(gòu)造措施要求更高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我們應(yīng)注意以下幾方面的構(gòu)造問(wèn)題。 

　　首先，我們應(yīng)遵守異形柱肢厚、縱向受力鋼筋直徑和保護(hù)層厚度、全部縱向受力鋼筋最大配筋率的規(guī)定。由于異形柱在低周反復(fù)荷載作用下受剪承載力比單調(diào)荷載作用下降低，主要是粘結(jié)破壞的影響。試驗(yàn)表明，隨著反復(fù)荷載的施加，異形柱出現(xiàn)彎剪裂縫，隨后在腹板內(nèi)出現(xiàn)粘結(jié)裂縫，裂縫沿柱高進(jìn)一步發(fā)展，砼保護(hù)層剝落，部分縱筋、箍筋裸露，縱筋與砼間出現(xiàn)相對(duì)滑移，翼緣與腹板縱筋間砼酥裂，喪失承載力。因此，保證異形柱的肢厚是保證鋼筋的設(shè)置和鋼筋與砼的粘結(jié)錨固長(zhǎng)度。注意縱向受力鋼筋直徑和保護(hù)層厚度，避免直徑過(guò)大造成粘結(jié)強(qiáng)度不足和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋設(shè)置困難，直徑太小在相同箍筋間距下s/d增大，使柱延性下降。而保護(hù)層厚度的規(guī)定是為了滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性和受力鋼筋有效錨固的要求。因異形柱截面尺寸不允許出現(xiàn)負(fù)偏差及保護(hù)層厚度對(duì)異形柱構(gòu)件抗力影響的敏感性，必須遵守規(guī)程中保護(hù)層厚度的規(guī)定。由于異形柱肢厚有限，縱向受力鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度較差，為減少粘結(jié)破壞和節(jié)點(diǎn)鋼筋設(shè)置困難，規(guī)程規(guī)定了不同于矩形柱的縱向鋼筋總配筋率。 

　　其次，遵守異形柱框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造要求是保證節(jié)點(diǎn)安全可靠的重要措施。必須滿足節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋的最大間距、最小直徑、配箍特征值和體積配箍率最小值的規(guī)定，從而保證在荷載和地震作用下對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)砼提供必要的約束并具有基本的抗剪能力。必須滿足梁柱縱向受力鋼筋在節(jié)點(diǎn)處的可靠錨固和粘結(jié)，從而保證梁端和柱端的彎矩、剪力、軸力、扭矩通過(guò)鋼筋受拉及受壓(和砼受壓)傳遞到節(jié)點(diǎn)區(qū)，保證節(jié)點(diǎn)具有良好的工作和抗震性能。  

　　3　小結(jié)  

　　異形柱作為一種新型結(jié)構(gòu)，與一般的矩形柱結(jié)構(gòu)雖存在著共性，卻又有著各自的特性。因此，在異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意根據(jù)異形柱截面、內(nèi)力、變形、抗震性能的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)布置及異形柱選形、異形柱結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及構(gòu)造措施等方面準(zhǔn)確、優(yōu)質(zhì)、高效進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。