关于异形柱框架结构在居民住宅小区的结构设计研究

2018-06-14陈卓锋

建材与装饰 2018年26期

陈卓锋

（广东省建筑设计研究院广东广州 510010）

1 前言

目前正在编制全国性的“混凝土异形柱结构技术规程”。可执行的地区标准有：天津、上海、陕西、江苏、广东等。异形柱结构设计除应符合所在地规程外，还应符合国家颁布的其它规范、规程，如：混凝土结构设计规范、建筑设计抗震规范、建筑结构荷载规范、高层建筑混凝土结构技术规程、混凝土异形柱结构技术规程（修订稿）等等。混凝土异形柱结构技术规程（修订稿）的特殊点之一：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不应大于楼层平均值的1.35倍。其它的对异形柱结构的基本要求，应参照相应的规范、规程。

2 异形柱结构的分析模型

异形柱应考虑特有的“剪切不均匀系数”：异形柱的剪切不均匀系数采用分块积分法计算。异形柱的局部坐标，截面形心主轴，如图1所示。

图1 异形柱的局部坐标

与异形柱相连的框架梁，一般应选择“梁柱重叠作为刚域”这个设计参数。此时梁长度变化[1]，如图2所示。

图2 梁长度变化

当异形柱柱肢较长时，由于梁长度的变化造成结构刚度变化较大。所以，对异形柱结构需要考虑这个影响[2]。

有时异形柱截面会产生变异，此时，最好简化成矩形柱输入，按异形柱输入刚度偏小、配筋也有问题，如图3所示。

图3 异形柱截面的变异

3 异形柱的配筋及设计

异形柱配筋，应按考虑双偏压（拉），如图4所示。

计算的周期，如图5所示。

图4 异形柱配筋

图5 计算周期

4 异形柱框架结构在居民住宅小区工程实例

4.1 工程概况

广东省广州市某小区建筑总面积达到了23万m2，该项目一共有15栋异形柱框轻结构住宅，其总面积达到了15万m2，有两类住宅，一类是带电梯住宅，另一类是不带电梯住宅。这两类住宅都配置了车库及其阁楼。从整体上面进行分析，住宅平面基本上属于错层式住宅，其中，地下室高度为3m左右，楼层高度为3.2m左右，然而标准楼层的高度为3m，每层楼之间的间距为3.2m。按照相关的规定，与实际情况相互结合，并且和建设所使用一些功能及其相关的要求相结合，查看框轻结构的自身情况，而内部的隔墙必须选择取厚为80mm的GRC轻质墙板，分户墙必须选择厚度为25cm的加气混凝土砌块，在梁柱以外贴着厚度为5cm的EPS板，在外墙选择使用厚度为30cm的加气混凝土砌块。我们从现场的地质报告当中能发现，该地区主要是由一些粉质黏土、粉土及其一些细沙组成的，这个住宅花园小区属于中软场地，也就是II类场地，在地下15m左右有地下水，所以，这个属于建筑有利地段。结合工程地质状况及相关的特征，可以选用设置伸缩缝的筏板，筏板厚度为50cm。

4.2 结构布置及其选型

在居民小区工程中，住宅楼一共有七层，还包括地下室和阁楼，因此，算上阁楼和地下室一共有九层。从室外地面开始进行计算，高度满足小区其他异形柱规程给异形柱框轻体系框架结构下的要求，并且这个建筑规定必须设置电梯井，因此必须使用异形柱框-剪结构体系。在符合每一层之间的位移要求，还要使得剪力墙部分承受的结构底部地震弯距与结构底部总地震弯距相比至少大一半，然而，为了缩小结构自身的刚度以及减小结构自身的重量，必须把剪力墙安设数量设置尽可能小一些，而且安放位置必须匀称，这样才可以防止扭转现象的发生进而造成一系列的影响[3]。对于较长的墙肢，必须进行开洞口，这样才可以让每一墙段受力均匀，异形柱的安设以及相关的尺寸与规定一致，在设防的时候应该采用数量多的梁配筋，而且梁宽和柱肢的厚度都必须定在25cm。一般来讲，柱肢为55～75cm长，然而由于在跃层处梁竖向错位，所以，柱净高为2.1m，而管控这个地方的柱肢长均不大于65cm，这样就会让柱净高超过了肢长三个单位，可以防止超短柱出现[4]。所以，在设计的过程当中，尽可能地运用T形柱和十字形柱相结合，尽量减少L形柱的使用，尽量减少一字形柱的出现。

4.3 异形柱框架结构载荷分析

4.3.1 载荷-位移曲线

在工程中，不同形式异形柱框架的推覆分析结果如图6和表1所示，表中屈服位移通过通用屈服弯矩法来确定，极限位移取峰值荷载下降到85%时对应的位移。

图6 推覆对比曲线

表1 力-顶点位移计算结果

从图1及表1可看出，SRC异形柱框架和CFST异形柱框架的位移延性系数较RC异形柱框架有显著提高，且延性系数提高倍数达到1.3左右，表明在异形柱中适当配置型钢或采用钢管混凝土组合结构都可有效地提高异形柱框架的位移延性。对比几种类型异形柱框架结构的受剪承载力，CFST异形柱框架最高，较RC异形柱框架提高了1.7倍，SRC异形柱框架次之，较RC异形柱框架提高了1.4倍。可见，CFST结构既具有较高的承载能力，又具有良好的延性[5]。

4.3.2 轴压比的影响

考虑到工程异形柱中柱设计轴压比是边柱的二倍，取边柱轴压比参数N分别为0～0.3，三种异形柱框架结构Pushover对比计算结果如图7所示。

图7 不同轴压比下异形柱框架推覆对比曲线

从图7可知，轴压比对3种异形柱框架的弹性刚度影响较小，但对水平承载力及曲线下降段形状均有影响。对于RC异形柱框架，随轴压比增大，结构承载能力适当提高，延性随之降低，但轴压比大于0.2之后其影响很小；对于SRC异形柱框架和CFST异形柱框架，随轴压比增大，结构承载能力降低，并且延性也随之降低，主要是由于截面不规则导致，因此设计中要严格控制SRC异形柱框架和CFST异形柱框架的轴压比[6]。

4.3.3 出铰机制

图8 出铰顺序

图8为SRC异形柱框架出铰计算结果与试验结果对比分析，由图可以知道两榀框架均为梁先出铰，柱后出铰，基本符合抗震框架结构中“强柱弱梁”的设计要求，但计算结果和试验结果的出铰顺序有所差别，主要原因是试验中各节点材料存在一定的差异，真实抗弯承载力不同，导致试验中塑性铰出铰顺序没有规律性，而计算中塑性铰出铰顺序较为规律，底层和中间层梁端出铰较早，同一根梁一般均为左侧先出铰。试验中柱顶施加竖向集中荷载，局部约束效应使得顶层中柱承受较大弯矩而出现塑性铰，但数值计算中难以模拟此现象。

4.4 构造措施

异形柱框轻结构的住宅一般层高不高，并且柱侧移刚度非常大，所以底层柱对于一层楼板温度变形的制约力非常大。如果房屋长度值比较大，这样在温度变化的过程当中，很容易影响到楼板内部应力变化，进而形成一定的内力，这样就会使得楼板出现一系列的裂缝[7]。因此，在设计的过程当中，工程必须严格控制伸缩缝之间的间距，一般不能超过45m。而且，在设计楼板负筋在顶层和一层必须进行贯通好，应该在中间层一半进行贯通。