2017年結(jié)構(gòu)師基礎(chǔ)知識(shí)異形柱應(yīng)用

　　【摘要】環(huán)球網(wǎng)校提醒：2017年結(jié)構(gòu)師考試已進(jìn)入備考階段。根據(jù)學(xué)員對(duì)異形柱應(yīng)用的反饋，同時(shí)為進(jìn)一步加深大家對(duì)異形柱應(yīng)用的了解，環(huán)球網(wǎng)校老師為大家整理了“2017年結(jié)構(gòu)師基礎(chǔ)知識(shí)異形柱應(yīng)用”，希望對(duì)大家有所幫助。

　　異形柱在小高層住宅中的應(yīng)用

　　無(wú)錫廣瑞花園小區(qū)工程位于無(wú)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(jì)地震加速度為 0.05g，地震分組為第一組,Ⅲ類(lèi)場(chǎng)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(guò)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(duì)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(hù)使用的問(wèn)題，又形成了預(yù)防地震破壞的多道防線(xiàn)，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(guò)對(duì)結(jié) 構(gòu)不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(wú)錫廣瑞花園小區(qū)工程位于無(wú)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(jì)地震加速度為 0.05g，地震分組為第一組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土;基本風(fēng)壓為 0.45KN/m2 。

　　二、上部結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算

　　考慮到在住宅樓中使用矩形柱將影響住戶(hù)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(guò)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(shí)許多異形柱是不能滿(mǎn)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(duì)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(gè)問(wèn)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(huì)在后期的使用過(guò)程中出現(xiàn)裂縫，影響用戶(hù)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(lái)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?cè)陔娞蓍g的位置設(shè)置了剪力墻核心筒。之后通過(guò)對(duì)墻、柱布置和截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(mǎn)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(hù)使用的問(wèn)題，又形成了預(yù)防地震破壞的多道防線(xiàn)，從而有效的保 證了建筑物的安全。

　　三、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的若干問(wèn)題

　　1、異形柱的截面設(shè)計(jì)

　　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(shí)受到兩個(gè)方向彎矩的同時(shí)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(jì)規(guī)范》GB50010柱雙向受剪承載力計(jì)算公式可見(jiàn)，柱截面相鄰兩邊長(zhǎng)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(lèi)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(gè)正交方向的肢長(zhǎng)或肢厚可以不相等，但要滿(mǎn)足柱肢長(zhǎng)度與柱肢厚度之比不大于4及柱凈高與柱截面肢長(zhǎng)之比不小于3這兩條要求。如果，截 面一個(gè)肢長(zhǎng)為800mm，若另一肢肢長(zhǎng)小于500mm，則柱的雙偏壓計(jì)算表明，該柱的兩軸抵抗彎矩圖是一個(gè)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(zhǎng)不可過(guò)短，由于一般異形柱肢較薄(200mm或250mm)，再加上肢長(zhǎng)較短，此時(shí)柱上節(jié)點(diǎn)核心區(qū)過(guò)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(gè)主軸方向及與兩主軸呈45°方向應(yīng)分別計(jì)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(duì)兩主軸呈45°方向計(jì)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(gè)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(jì)說(shuō)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(wèn)題。

　　2、框架梁截的設(shè)計(jì)

　　2.1 異形柱結(jié)構(gòu)框架梁截面高度抗震設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)大，避免節(jié)點(diǎn)區(qū)柱縱向鋼筋全長(zhǎng)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?墻)節(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(zhǎng)度也很難滿(mǎn)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(shí)要在柱縱筋內(nèi)側(cè)通過(guò)，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(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，因其是剪力墻大開(kāi)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(jì)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(duì)墻肢較長(zhǎng)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(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行截面與構(gòu)造設(shè)計(jì)，相對(duì)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(jì)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(shí)，會(huì)加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開(kāi)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(kāi)裂，因 而對(duì)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(gè)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(shí)用長(zhǎng)肢墻來(lái)調(diào)整剛度中心。

　　1.4高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對(duì)減小，連接各墻肢間的梁已類(lèi)似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應(yīng)在 計(jì)算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計(jì)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(lái)解 決，按強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)柱弱梁的延性要求進(jìn)行計(jì)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(duì)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：

　?、儆捎诮孛娴倪@種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)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(duì)于長(zhǎng)柱(H/h>4)可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)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。

　?、郛愋沃捎谑嵌嘀?，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)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。

　?、芴貏e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(guó)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(zhǎng)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(jì)中必須通過(guò)可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來(lái)保證其強(qiáng)度和延性。

　　在進(jìn)行異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除滿(mǎn)足高規(guī)中對(duì)結(jié)構(gòu)布置要求外，還應(yīng)注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：

　　(1)異形框架的計(jì)算

　　由于其截面的特殊性，在柱截面對(duì)稱(chēng)軸內(nèi)受水平力作用時(shí)，彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)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(jì) 規(guī)范計(jì)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(duì)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(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，宜選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件目前，國(guó)內(nèi)可直接進(jìn)行異形柱截面內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)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(jì)，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過(guò)大量工程校算，能有效地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性要求。

　　(2)軸壓比控制

　　對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)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(gè)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(duì)提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對(duì)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(duì)異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。

　　在江蘇規(guī)程中對(duì)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(shí)，其水平力的影響會(huì)越來(lái)越顯著，對(duì)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(jí)兩項(xiàng)指標(biāo)從嚴(yán)控制，對(duì)低烈度地區(qū)的這類(lèi)結(jié)構(gòu)是能夠滿(mǎn)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(lái)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(zhǎng)可長(zhǎng)可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過(guò)不同的尺寸和布置來(lái)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(jiǎn)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(mǎn)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(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，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。

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