浅析异形柱框架结构设计中应该注意的问题

孙超 姚尧

目前,随着社会的发展和科技的进步,人们对于住房的要求不再仅限于居住,而有着更高的要求,例如舒适、美观。对于现代住宅,建筑要求大开间,房间布置方便灵活,室内尽量不露现梁、柱。对于这样的现代住宅建筑设计布局要求,异形柱能代替矩形柱,较好地满足建筑设计布局要求。因此,在结构设计中,异形柱框架结构得到了广泛的应用。同时,汶川大地震也证明,经过合理的抗震设计,异形柱框架结构也具有良好的抗震性能。

1 异形柱的定义及受力特点分析

1.1 异形柱的定义

截面几何形状为L形、T形和十字形,且截面各肢的肢高与肢厚之比(柱肢截面高度与厚度的比值)不大于4的柱。L形截面柱多用于墙的转角部位,T形和十字形截面柱多用于纵横墙交接处。所谓异形柱框架结构是由异形柱形成框架,和轻质填充墙组成的结构。根据建筑布置及结构受力的需要,在异形柱结构中,框架柱可全部采用异形柱,也可部分采用一般框架柱。

1.2 异形柱的受力特点分析

1)在房间的分隔墙交点处可以灵活布置异形柱,这样平面刚度均匀疏散,但是经常会出现梁纵横不贯通,这样的结构较难转化为平面结构进行计算。

2)异形柱框架结构的立面刚度分布比较均匀,在弹性阶段,异形柱与轻质填充墙能够很好的共同工作。

3)异形柱采用的截面形式多为T形、L形和十字形等,截面不对称,柱肢较薄且狭长,在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视,双向压弯效应较明显。

4)仅有一根对称轴或无对称轴的异形柱截面,对荷载的方向较敏感,抗扭刚度比较差。因此,异形柱框架结构也具有荷载方向敏感性,尤其是在不对称或偏心时,其抗扭能力明显降低。

5)异形柱截面的薄弱部位在其柱肢角部,特别是在梁底和柱肢交界断面的柱肢角部,应力集中严重。

6)异形柱结构的梁高宽比较大,柱肢较长,因此,梁柱重叠部分较大,在梁端范围内形成刚域;节点区较大而薄,因此,在弹塑性阶段应考虑节点变形对结构变形的影响。

2 异形柱框架结构在设计时应该注意的问题

2.1 计算工具的选择

根据上述异形柱的受力特点分析,对异形柱框架结构应按空间体系考虑,宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。由于异形柱的受力情况不同于剪力墙,因此,在计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算,应按“柱”构件输入其截面尺寸。对异形柱结构采用三维整体分析的方法,目前能用于这种结构抗震分析的常用软件有建科院的TAT,SATWE,PMSAP等。

2.2 设计时应注意的问题

1)由于异形柱的柱肢较长,梁柱重叠部分较大,因此在电算时需点取“梁柱重叠部分作为刚域”选项进行计算;建议采用双向偏心受压、双向偏心受拉、正截面承载力计算。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)因为异形柱荷载方向角具有任意性,所以在异形柱内折角处应设置同样直径的受力筋。4)抗震设计时,扭转不规则的异形柱结构,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层两端弹性水平位移和层间位移的平均值的比值不应大于1.45,而矩形框架的该比值为1.5。5)非抗震设计和抗震设计的异形柱结构均应对梁柱节点进行受剪承载力计算,而矩形框架柱结构只有抗震等级为一、二级框架,才要求必须进行梁柱节点受剪承载力验算。6)异形柱的延性比普通矩形柱的差。轴压比、高长比(即柱净高与截面肢长之比)是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。作为异形柱延性的保证措施,必须严格控制轴压比,同时避免高长比小于4(短柱)。只有保证柱具有足够大的截面尺寸,才能防止出现小偏压破坏,提高柱的变形能力,满足抗震要求。对于高长比小于4的异形柱,箍筋应沿柱全高加密,从而减小地震作用下柱剪切脆性破坏,改善异形柱的变形能力。但是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。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。

综上所述,在结构设计中应充分了解异形柱的受力特点和破坏机理,结构布置合理,正确使用计算机分析,这样才能更好的把握设计要点,保证异形柱框架结构的安全适用性。

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