1概述
住宅開發(fā)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(jié)構(gòu)的誕生，并在全國廣大地區(qū)蓬勃發(fā)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(yōu)點是，柱肢基本與填充墻等厚，使室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞，便于室內(nèi)靈活布置，又可增加使用面積。異形柱結(jié)構(gòu)分為異形柱框架結(jié)構(gòu)和異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，各種結(jié)構(gòu)各有不同的適用高度，且均比普通柱結(jié)構(gòu)要求更嚴(yán)。
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(nèi)外2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。
2．2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(gòu)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(gòu)件，也會因截面曲率M／EI或ecufX(ecu為混凝土的極限壓應(yīng)變，x為截面受壓區(qū)高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。
2．3破壞機(jī)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(xié)調(diào)變形，這種變形協(xié)調(diào)，使各柱肢內(nèi)存在比較大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢極易先出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態(tài)，導(dǎo)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(dǎo)致不對稱延性。當(dāng)荷載作用在腹板平面內(nèi)，翼緣在受拉側(cè)，異形柱小偏壓脆性破壞；翼緣在受壓側(cè)時，異形柱大偏壓延性破壞。由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析表明，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：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(fù)雜性，在設(shè)計中，必須通過可靠的計算分析和必要的構(gòu)造措施，來保證其強(qiáng)度和延性。
3異形柱的計算分析
3．1計算方法
在低烈度區(qū)，且水平力作用在截面對稱軸內(nèi)時(如異形柱為十字形)，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。而在高烈度區(qū)，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，應(yīng)選用帶有異形柱計算功能的軟件，如中國建筑科學(xué)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(fā)生了變化，進(jìn)而影響構(gòu)件內(nèi)力的計算及其它計算結(jié)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(biāo)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(xué)的經(jīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)件往往不全是異形柱，其中經(jīng)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(jié)構(gòu)。在這類結(jié)構(gòu)的計算模型輸入時，有的設(shè)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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)有些構(gòu)件的誤差會影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)側(cè)移，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的差異。例：某結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸為4．2rex4．2m，平面布置見圖1。共4層異形柱框架結(jié)構(gòu)，層高3．0m，8度，Ⅱ類場地，主梁200mmX500mm，次梁200mmX400mm，混凝土強(qiáng)度等級C25，樓面靜、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別取4．5kN／m，2．0kN／m，梁上墻的線荷載標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行抗震分析比較。計算結(jié)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(jié)構(gòu)側(cè)移小了32％，結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)體系的自振周期、結(jié)構(gòu)側(cè)移，還是基底彎矩和剪力、梁柱內(nèi)力都產(chǎn)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(yīng)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(yīng)采用過高的軸壓比，宜接異形柱套用。另外，建議對異形柱結(jié)構(gòu)體系，宜采用2種不同計算模型的軟件(如TAT，SATWE)進(jìn)行計算分析，以便校核。
4軸壓比的控制
對框架結(jié)構(gòu)，框一剪結(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)，柱的側(cè)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(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(yán)格控制。在目前設(shè)計過的工程中，由于本地建筑主管部門的嚴(yán)格控制，異形柱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)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(cè)移下，其延性性能也有較大差異，對雙向?qū)ΨQ的十字形，軸壓比限值可適當(dāng)放寬，而雙向均不對稱的L形就應(yīng)嚴(yán)格控制，T形次之，這與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)造
5．1配筋構(gòu)造
在正確的結(jié)構(gòu)選型及計算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)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(xiàn)較人應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對柱肢形成偏心壓力，進(jìn)一步加大了肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時，縱向受力鋼筋應(yīng)按計算所需，集中布置在肢端和柱肢交接的內(nèi)折角區(qū)域，其余部位均勻設(shè)置間距不大于200mm的構(gòu)造鋼筋，直徑可用14mm，并設(shè)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(qiáng)度及變形能力。柱箍筋由計算確定，箍筋的設(shè)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(fù)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(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標(biāo)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(gòu)造
5．2．1材料要求
(1)混凝土的強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25，且不應(yīng)高于C50。C50級以上的混凝土在力學(xué)性能等方面，與一般強(qiáng)度混凝土有著較大的差異；
(2)縱向受力鋼筋宜選用高強(qiáng)的HRB400，HRB335級鋼筋。高強(qiáng)鋼筋的采用，使鋼筋直徑不至于過大，且減少了根數(shù)便于布置；若鋼筋直徑過大，則會造成錨固和節(jié)點構(gòu)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(yīng)大于4，肢厚不應(yīng)小于200mm。肢厚小于200mm時，會造成梁柱節(jié)點核心區(qū)的鋼筋設(shè)置困難及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固強(qiáng)度不足，難以保證結(jié)構(gòu)的安全且施工不便。
(2)異形柱不應(yīng)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(cè)搭梁時，在地震作用下極易產(chǎn)生破壞。z字形截面柱受力復(fù)雜，柱肢存在翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，柱腹板還存在較大的扭矩作用，易造成復(fù)雜應(yīng)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(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險性。
6節(jié)點核心區(qū)受剪承載力
由異形柱的截面特性，決定了梁柱節(jié)點核心區(qū)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(biāo)號，但隨之帶來的問題是構(gòu)件變脆，同時與梁板混凝土強(qiáng)度的協(xié)調(diào)也成問題，有時為了個別柱的需要，而使全部柱的混凝土標(biāo)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(jié)點核心區(qū)的柱內(nèi)加豎向鋼板的方法，鋼板伸過節(jié)點核心區(qū)上下一定的長度錨固，按鋼板與混凝土協(xié)同工作來計算分析，確定鋼板的截面尺寸。最終設(shè)計的結(jié)果是鋼板截面尺寸較小，不影響梁柱鋼筋的布置，且鋼板設(shè)置靈活，哪里需要哪里加。該工程已建成使用，效果較好。
7結(jié)語
異形柱結(jié)構(gòu)自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形(圓形)柱結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)其受力的特點，充分了解其破壞的各種機(jī)理，選用合理的結(jié)構(gòu)布置形式及計算模型，正確掌握計算機(jī)分析方法和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，以便促進(jìn)這種有著較大市場需求的異形柱結(jié)構(gòu)體系的健康發(fā)展。
