异形柱框架剪力墙结构体系有限元分析

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一、概述 随着我国住宅产业的迅速 发展 以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，普通的矩形框架柱会给室内装饰和家具布置带来极大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面积，这对住宅结构设计提出了一项新的要求。异型柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求，从结构受力角度来说，它博采框架加剪力墙体系之长，平立面布置近于框架结构，柱的截面形式又不拘泥于矩形，将截面积向工程轴外铺开成T形、十字形、L型等，用较少的混凝土材料，获得了较大的刚度；同时配合轻质填充墙的使用，结构重量比一般框架更轻。适中的刚度和较轻的自重，对减小地震作用很有利，是一种 经济 合理的抗震住宅结构体系。二、异型柱受力特点异型柱结构与普通框架结构相比，有如下受力方面的特点：1．根据建筑上的需要，异型柱在房间的分隔墙交点处灵活布置，平面刚度疏散均匀，经常会有梁纵、横不贯通，结构较难简化为平面结构 计算 ；2．立面刚度分布较均匀，异型柱与轻质砌体填充墙在弹性阶段共同工作性能良好；3．柱采用T形、L形、十字形等截面形式，肢宽厚比在2.5~4.5之间，柱肢薄而狭长，双向压弯效应明显；4．异形截面仅有一根对称轴或没有对称轴，对荷载的方向角敏感，抗扭刚度较差，相应地也造成异型柱结构的荷载方向敏感性，且稍有不对称或偏心，抗扭能力降低较大；5．异形截面的柱肢角部是明显的薄弱部位，尤其是梁底与柱肢交界断面的柱肢角部，应力集中严重；6．异型柱结构的梁高宽比大，柱肢狭长，使梁柱重叠部分多，在梁端一定范围形成刚域；同时节点区较大而薄，在弹塑性阶段，应计入节点区变形对结构变形的影响；7．异型柱结构的节点区的受力性能与矩形柱节点有较大区别，一方面由于梁柱薄，施工时混凝土不易振捣密实，再加上梁柱交接处应力集中和后期破坏较重，削减了节点核心区的有效体积，使节点抗剪承载力降低；另一方面，节点区破坏部位向梁端的外移，又缓解了节点区受力的复杂程度，有利于强节点的实现。三、异型柱框架结构设计中的有关问题1．结构平面布置异型柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定、设计要求外，还应考虑自身的特点，注意以下几点：（1）平面布置宜尽量对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；（2）考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接（3）各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则、多跨的抗侧力体系。笔者认为，异型柱设计的目的主要是合理解决小面积房屋的使用问题，应重点布置在房屋中影响房间使用的墙角部位，其它部位从受力合理和施工方便两个方面考虑宜采用矩形截面柱。这样兼顾了使用和经济两个方面，充分发挥了异型柱使用和受力的特点创造出每平方米建筑面积用钢量较低的好指标。2．设计方法异型柱和矩形柱的截面形式差异很大，不能简单把矩形柱的计算方法应用到异型柱中。目前，国内可直接进行异型柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的ＴＡＴ、ＳＡＴＷＥ程序，广东省建院的ＳＳ、ＳＳＷ程序以及天津大学的钢筋砼异型柱结构配筋计算程序ＣＲＳＣ。这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地满足结构安全性要求。考虑到上述两种规程作为地方标准，具有一定局限性，在设计中还应注意以下几个问题（1）按肢长与肢宽之比定义异形柱或短肢墙很大程度是为了学术上的便利。但用TAT程序进行结构整体计算时，按异形柱模式可能导致结构刚度下降，应适当增加抗地震力；当按短肢剪力墙模式计算可使梁配筋偏小，应适当调整配筋；（2）在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用，而对于异形柱框架结构，由于侧向刚度较小，有时侧移会超过规范允许值；（3）对柱的净高与柱截面长边尺寸之比小于4的异形柱，应沿柱高全高加密箍筋，以减小地震作用下柱剪切脆性破坏的危险性和改善柱的变形性能；（4）因荷载方向角的任意性，在异形柱内折角处也应设置相同直径的受力筋；（5）位于L形柱角处的纵向受力钢筋为双向共用；（6）为安全起见，对抗震等级三级及三级以上的结构，应对节点进行计算，以保证节点区的可靠性；（7）施工过程中对异形柱及其节点区应加以重视，采用骨料粒径较小的混凝土进行浇筑，以确保施工质量。3．构造设计（1）柱壁厚度和砼标号的选择参照规范及实践经验来看，柱肢的厚度最小不少于160ｍｍ，一般常采用200ｍｍ 比较合理。对于８层及以上框架其下面两层梁柱节点处的钢筋有时显得比较密集，因此不宜减薄。在梁跨度较大时，柱子往往显得截面不足，轴压比太大，钢筋过分密集。因此最好把一二层柱砼标号提高到 C30左右，避免采用加大壁厚的方案。（2）纵向钢筋和箍筋纵向受力钢筋选用时，数量宜少，直径宜大，一般只要不大于Ф25均应选较大的直径减少根数，而每边钢筋的数量宜用2根，多则做两排配置。底层每边钢筋的数量也可以用3根，但穿出楼面的柱筋每边单排配筋还是不要多于2根为宜，否则节点施工困难。纵向构造钢筋在柱肢宽较大时应该设置，以保证纵向钢筋间距不大于350mm的规范要求，因为异型柱的纵向构造钢筋比较多，因此其直径的选取也是影响 经济 技术指标的一项因素，根据我国钢筋砼设计规范和国外有关资料以及有关剪力墙的构造规定，笔者认为取Ф12、Ф14还是比较合理的，不必选用更粗的钢筋。箍筋的设置对抗震设防的影响很大，按我国抗震设计规范中有关规定及 参考 国内外有关资料，建议箍筋最小直径可以选用Ф6，在加密区的间距为100mm，在非加密区的间距为200mm。（3）轴压比限值异形柱在单调荷载，特别在低周反复荷载作用下，粘结破坏较矩形柱严重，延性比普通矩形柱差，因此，异形柱的轴压比限值比矩形柱严格得多。天津《规程》根据截面类型、箍筋间距与纵筋直径比s/d、箍筋直径dv和抗震等级确定，在0.3~0.7之间波动，比矩形柱结构的柱轴压比限值低很多。所以，在程序试算后，应按上述条件初步确定出各柱的轴压比具体限值，并在配筋简图中仔细查看各层柱的 计算 轴压比是否有超限的。因为此时异形柱的实配纵筋和箍筋还是未知的，PKPM程序无法判断每个柱的轴压比具体限值，只有在轴压比超过矩形柱结构的轴压比限值时，程序才会报告轴压比超限。因此，异形柱的轴压比超限，必须逐一手工核算。四、结束语异型柱框架结构的平面布置比普通矩形柱框架灵活，可以较好满足建筑功能的要求，具有良好的 发展 前景，结构设计人员应充分了解异型柱的受力特点，正确把握设计要点，确保工程结构安全可靠，经济合理。