异形柱框架结构在多层住宅中的应用

2018-09-14郭培成

四川建筑 2018年4期

郭培成

(厦门大学嘉庚学院,福建漳州 363105)

国外在20世纪70年代就已经开始研究L形、T形、十字形等异形柱的受力特性和力学性能,美国学者首次进行了钢筋混凝L形短柱的全过程受力分析，相对国内提前了十年左右，为各国在异形柱结构方面的研究发展提供了重要的依据。国内率先开始研究异形柱结构的是天津、广东、山东、云南等地，陆续建设了大量的异形柱框架结构住宅设计的实际工程，并得到了较好的社会效益和经济效益。

框架结构在室内有凸出的柱子，影响了建筑观瞻，为了解决该问题，在框架结构设计中产生了异形截面柱。异形柱框架采用柱、梁、非承重墙等厚度(宽度)，解决了框架结构室内柱角和梁边外露、占据空间、影响美观和使用的问题；另外住宅由于减少了框架柱的外露，增大了房间的有效使用而积(增大面积5 %～8 %)，因此，在相同建筑使用而积的条件下，异形柱框架住宅的单位面积造价低于普通框架和砖混住宅6 %～10 %。

1 异形柱框架结构和PKPM结构电算软件

1.1 异形柱框架结构的介绍

JGJ 149-2006《混凝土异形柱结构技术规程》明确提出:异形柱指截面几何形状为L形、T形、十字形和一字形，且截面各肢的肢高与肢厚比不大于4的柱，其截面形式见图1。

图1 异形柱截面形式

1.2 PKPM结构电算软件介绍

软件主要包括模形建立(主要建立梁、柱、板、承重墙的尺寸)、参数的设置(包括地震信息、风荷载信息、总信息和配筋信息)、SATWE内力计算和结果查看。计算结构构件内力和配筋的结果比较准确，再结合设计者的合理修正，使其绘制结构平面施工图符合工程所用。本软件可以处理二维平面(排架结构)、三维空间结构、弹性时程分析和弹塑性时程分析、桩基础设计分析、人防设计等。

2 工程概况

本工程为北方某城市的一栋6层框架结构，无地下室，一层为商业店面，其它层为居民住宅。建筑高度18.3 m,总建筑面积4 372.3 m2，结构总高度17.6 m(异形柱框架在该条件下，最大适用高度18 m),该结构高宽比2.65。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g,地震分组第二组,基本风压0.50,基本雪压0.40,建筑物抗震设防类别为丙类，场地类别Ⅱ类，基础形式独立基础，设计基准期50，使用年限70年，结构安全等级二级，结构抗震等级均为三级。采用SATWE进行三维空间计算,在水平地震作用下进行计算分析。工程具体结构平面布置见图2(对称结构，仅画出1/2)。

图2 结构平面布置

工程中L形、T形截面各肢的肢高肢厚比为700/200=3.5，600/200=3两种。角部的L形角柱采用肢高肢厚比3.5，为了提高角部的延性(因为角柱为双向偏心受压构件，延性相对较差，加大柱截面使其延性提高，降低破坏的程度)，其它部位的L形柱截面采用肢高肢厚比3；均小于异形柱结构规范规定的最大限值4，符合构造要求；同时也满足异形柱截面的肢厚要求不应小于200 mm，肢高不应小于500 mm的规定。框架梁分别取b×h=200 mm×600 mm(分别布置在建筑物最外边缘的四周)、b×h=200 mm×500 mm(布置在建筑物内部),符合异形柱结构抗震设计时梁高度不宜小于400 mm，梁的截面宽度不宜小于截面高度的1/4(即500/4=125 mm)和200 m；填充墙采用200 mm厚的多孔转。本工程异形柱混凝土的强度等级一层、二层柱采用C30，其它层采用C25；梁、板混凝土的强度等级采用C25。结构中框架柱和框架梁的纵筋均采用3级钢筋(HRB400)，箍筋采用1级钢筋(HPB300)；结构楼板配筋采用1级钢筋(HPB300)。

3 内力计算结果分析比较

(1)延性：是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。结构除了要满足承载力、正常使用，还要满足在地震作用下的耗能能力，因此结构进行设计时，延性做为一个重要指标。

(2)体积配箍率：指单位体积混凝土内箍筋所占的含量，即箍筋体积(箍筋总长乘单肢面积)与相应箍筋的一个间距范围内混凝土体积的比率。体积配箍率主要用于保证框架结构梁端部和柱节点区的抗剪能力，并提高构件在地震等反复荷载下的变形能力。

(3)轴压比：轴压比是指组合的轴压力设计值与墙柱全截面面积与混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。两种结构最大轴压比均未超过规范规定限值，比较接近限值,延性都会明显下降，尤其是框架结构(单纯抗侧力体系)，为了避免延性下降过多,应加大柱截面尺寸，尤其是角柱。本工程轴压比中柱、边柱、角柱最大值分别为0.62、0.57、0.55 ，为了提高延性将部分柱轴压比较大的进行截面修改，同时将一、二层框架柱混凝土标号由C25提高到C30，使轴压比相应的降低到0.52、0.49、0.45(表1)；另外对框架柱的箍筋直径和箍筋间距在计算结果的基础上有进一步提高，使其体积配箍率提高。通过截面大小、混凝土标号、体积配箍率三方面改善柱延性。

表1 异形柱的轴压比限值

配筋率：是钢筋混凝土构件中纵向受力(拉或压)钢筋的面积与构件的有效面积之比。配筋率过小会发生少筋破坏，过大则易发生超筋破坏，两者均为脆性破坏，不符合延性结构设计的要求。本工程中个别中柱配筋率达到2.4 %,边柱达到2.1 %,虽然满足大于最小配筋率以及小于最大配筋率，但是按照初步配置,选16φ20、14φ22的钢筋或两种钢筋组合，这样导致钢筋布置中，钢筋的净距无法满足要求或钢筋间距过小导致混凝土无法正常浇筑，影响混凝土质量。因此在设计过程中，将个别L、T形柱截面由600 mm变为700 mm。

另外，计算过程中，尤其是二层楼面框架梁，受到地震作用较大，导致内力相对其它层变大较多，导致纵筋配筋率过大、受剪不满足最小截面要求、受压区高度超过规范规定的限制。因此为了不影响结构的延性以及经济效果，将二层框架梁的混凝土标号由原先的C25调整为C30，其它层仍不变；将原先的框架梁b×h=200 mm×500 mm调整为b×h=200 mm×600 mm(分别布置在建筑物最外边缘的四周)、b×h=200 mm×450 mm调整为b×h=200 mm×500 mm(布置在建筑物内部)。这样第一保证了配筋率不至于过大，第二便于钢筋布置，第三保证了混凝土的质量，同时也使混凝土的相对受压区高度比由原来的0.33变为0.24，满足了规范的要求，保证了梁的延性(相对受压区高度比：混凝土受压区高度与截面有效高度高度之比。作用是为了防止将构件设计成超筋构件，要求构件截面的相对受压区高度不得超过其相对界限受压区高度)。结合延性梁的设计要求，尽量控制配筋率的大小，改大梁截面，以减小梁配筋率，增大间距。

4 异形柱的构造要求

为了避免短柱，异形柱要求柱的净高与柱截面长边尺寸之比宜大于4；梁的净跨与截面高度的比值不宜小于4；梁的截面宽度不宜小于截面高度的1/4和200 mm；异形柱截面的肢厚不应小于200 mm，肢高不应小于500 mm；异形柱的剪跨比宜大于2，抗震设计时不应小于1.5，这一点为了保证异形柱有较好的延性和耗能；剪力墙的要求可以执行相关钢筋混凝土剪力墙结构的构造。