异形柱—剪力墙（精选9篇）
异形柱—剪力墙 篇1
摘要：在众多短肢剪力墙结构与异形柱框架的试验资料与工程实践基础上, 论述了这两种结构形式的受力特点, 并分析了各自的结构计算、构造的相关问题。在原有剪力墙的基础上, 吸收了框架结构的优点, 逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式, 即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。本文对这两种新的高层住宅结构型式的受力特点、结构分析及构造要求进行阐述。
关键词：短肢剪力墙,异形柱
1 短肢剪力墙结构
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍剪力墙结构, 常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。这种结构型式的特点是:结合建筑平面, 利用间隔墙位置来布置竖向构件, 基本上不与建筑使用功能发生矛盾;墙的数量可多可少, 肢长可长可短, 主要视抗侧力的需要而定, 还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置;能灵活布置, 可选择的方案较多, 楼盖形式简单;连接各墙的梁, 随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内, 隐蔽性好;根据建筑平面的抗侧刚度的需要, 利用中心剪力墙, 形成主要的抗侧力构件, 较易满足刚度和强度要求。
对短肢剪力墙结构的设计计算, 因其是剪力墙大开口而成, 所以基本上与普通剪力墙结构分析相同, 可采用三维杆—系簿壁柱空间分析方法或空间杆—墙组元分析方法, 虽然三维杆系—簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广, 但对墙肢较长的短肢剪力墙, 应该用空间杆—墙组元程序进行校核。在进行以上分析后, 按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计, 相对于异形柱结构, 短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟, 但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面:由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小, 设计时宜布置适当数量的长墙, 或利用电梯, 楼梯间形成刚度较大的内筒, 以避免设防烈度下结构产生大的变形, 同时也形成两道抗震设防;短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢, 当有扭转效应时, 会加剧已有的翘曲变形, 使其墙肢首先开裂, 应加强其抗震构造措施, 如减小轴压比, 增大纵筋和箍筋的配筋率;高层短肢剪力墙结构在水平力作用下, 显现整体弯曲变形为主, 底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力, 由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂, 因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量, 加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接, 避免形成孤立的“一”字形墙肢;各墙肢分布要尽量均匀, 使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近, 必要时用长肢墙来调整刚度中心。
2 异形柱结构
异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-5, 相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架-剪力墙, 常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。这种结构的特点是:由于截面的这种特殊性, 使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大, 导致各向刚度不一致, 其各向承载能力也有较大差异;对于长柱 (H/h>4) 可以不考虑剪切变形的影响, 控制轴压比较小时, 受力明确, 变形能力较好。而对短柱 (H/h<4) , 剪切变形占有相当比例, 构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围, 且属薄壁构件, 即使发生延性的弯曲形破坏, 也因截面曲率M/EI或εcu/χ (εcu为砼的极限压应变, χ为截面受压区高度) 较小, 使弯曲变形性能有限, 延性较差;异形柱由于是多肢的, 其剪切中心往往在平面范围之外, 受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力, 这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力, 而该剪应力的存在, 使柱肢易先出现裂缝, 也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态, 它使得异形柱较普通截面柱变形能力低, 脆性破坏明显;特别是异形柱不同于矩形柱, 它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况, 其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析, 异形柱的破坏形态为:弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等, 影响其破坏形态的因素有:荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比 (剪跨比) , 配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂, 设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
目前, 异形柱结构设计已有国家统一规范, 即JGJ149-2006。在进行异形柱结构设计时, 除满足规范中对结构布置要求外, 还应注意几个方面的问题:异形框架的计算由于其截面的特殊性, 在柱截面对称轴内受水平力作用时, 弹性分析计算其翘曲应力很小, 此时如同承受水平力的偏压构件, 仍可按平截面假定分析, 按砼设计规范计算, 特别是在框———剪, 框———筒结构中, 对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地, 框架柱只承担水平风载的一小部分, 如按一般偏压柱计算, 误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大, 且水平力作用在非主轴方向, 则翘曲应力不容忽视, 按平截面假定误差较大, 则应对异形柱框架结构进行有限元分析, 决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时, 宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式, 如要用它进行计算, 要先进行等刚度等面积换算成矩形柱, 进行整体分析, 得到双向内力后再进行异形柱的截面设计, 其工作量相当大, 且截面设计的可靠性不高。目前, 国内可直接进行异形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形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。
3 轴压比控制
对框架结构, 框—剪结构, 柱的延性对于耗散地震能量, 防止框架的倒塌, 起着十分重要的作用, 且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。由试验结构分析, 柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况下, 增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小, 因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要, 特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合, 剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝, 产生腹剪破坏, 加上异形柱多属短柱, 这些导致异形柱脆性明显, 使异形柱的延性普遍低于矩形柱, 因而对异形柱的轴压比要严格控制;结构构造在正确的结构选型及计算后, 截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点, 柱肢端部会出现较大应力, 加上梁作用于柱肢上应力的不均匀, 一般越靠肢端应力越大, 对柱肢形成偏心压力, 进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时, 应在肢端设暗柱, 暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设2 12的构造纵筋, 箍筋同柱, 这样可限制柱肢的砼裂缝的开展, 提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪, 也可约束砼变形, 增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍, 因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下, 箍筋直径大, 其延性指标好, 因而箍筋且用Ф8、Ф10, 其间距可比普通柱箍筋间距小。异形柱砼等级不应低于C25, 且不高于C50。异形柱截面的肢厚不应小于200mm, 肢高不应小于500mm。
4 结束语
综上所述, 短肢剪力墙结构与异形柱框架结构, 其结构布置特点适应现阶段住宅空间需求。在设计中根据其受力的特点, 充分了解其破坏的各种机理, 选用合理的结构形式, 正确掌握计算机分析方法和截面配筋及构造要求, 使两种结构有可靠的安全保障。
参考文献
[1]廖文彬.短肢剪力墙配筋方式设计探讨[J].福建建筑, 2004-10-30.
[2]冯明川.异形柱结构受力分析与设计探讨[J].山西建筑, 2003-04-30.
异形柱—剪力墙 篇2
关键词：异形短肢剪力墙结构问题
0引言
目前，现行国家规范或规程中尚未给出有关异形柱与短肢剪力墙结构设计的条款，因此，结构设计人员在设计中常会遇到一些规范或规程尚未论及的问题，需要设计人员积累经验，利用正确的概念进行设计。
1异形柱结构型式及其计算
异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架一剪力墙结构和异形柱框架—核心筒结构。
异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称，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。因此，对异形柱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。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。
当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA 5.0)计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。一般，比值(A矩／A异)约在1.10-1.30之间。因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值(A矩／A异)对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。
对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，由于异形柱分担的水平剪力很小，由此产生的翘曲应力基本可以忽略，为简化计算，可按面积等效或刚度等效折算成普通框架一剪力墙(或核心筒)结构进行内力与位移分析。按面积等效更能反映异形柱轴压比的情况，且面积等效计算更为简便。但应注意，按面积等效计算时，须同时满足下面两式：
(1)A矩=A异；
(2)b／h=(IX异／Iv异)1／2
式中，A矩、A异——分别为矩形柱和异形柱的截面面积：
b、h——分别为矩形截面的宽和高；
lx异、ly异一分别为异形柱截面x、y向的主形心惯性矩。
一般，按面积等效计算时，矩形柱的惯性矩比异形柱的小。但对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构，计算分析表明，按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。
异形柱的截面设计，可根据上述方法得出的内力，采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算。
2短肢剪力墙结构及其计算
短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中，只需按剪力墙输入即可，而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT,TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度(多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数)，考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置，未知量少，精度较高。但是，薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂(如有转换层)时，也存在一些不足，主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响，当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于肢长较短(一般为墙厚的5—8倍)，本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用TAT,TBSA计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力，精度较高。
对设有转换层的短肢剪力墙结构，一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其于剪力墙框支。框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件(如SATWE)进行计算。当然，从整体上的内力(特别是下部支承柱的内力)分布情况来看，如果将剪力墙加以适当的处理，还是可以用TAT、TBSA对结构进行整体计算的。
3异形柱的受力性能及其轴压比控制
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。
异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。
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)。控制柱截面轴压比的目的，在于要求柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。广东(规程》按建筑抗震设计规范(GBJ11-89)中所规定的柱子轴压比降低0.05取用(按截面的实际面积计算)；天津<规程)则根据箍筋间距与主筋直径之比、箍筋直径及抗震等级共同确定。其要求比广东《规程》严格，例如，对s／d=5、4(即箍筋间距s=100mm，纵筋直径d分别为20mm、25mm的情况)，箍筋直径dv=8mm，抗震等级为三级的L形截面，其轴压比限值分别为0.60，0.65。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件，柱肢截面的肢厚比(即肢长／肢宽)不大于4。《高规》(JGJ3-91)第5.3.4条，“抗震设计时，小墙肢的截面高度不宜小于3bw"，“一、二级剪力墙的小墙肢，其轴压比不宜大于0.6”。根据上述分析，为便于应用，建议在6度设防区，对于异形柱框架结构，L形截面柱的轴压比不应超过0.6(按截面的实际面积计算，下同)，T形截面柱的的轴压比不应超过0.65，十字形截面柱的轴压比不应超过0.8；对于异形柱框架一剪力墙(或核心筒)结构，由于框架是第二道抗震防线，所以框架柱的轴压比限值可放宽到0.65(L形)、0.70(T形)、0.90(+字形)，但对于转换层下的支承柱，其轴压比仍不应超过0.600
短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。根据高长比不宜小于4，在梁高为600mm的前提下，当标准层层高为3.0m时，异形柱的最大肢长可为600mm；底层层高为4.2m时，肢长可为900mm,
4短肢剪力墙结构中转换层的设置高度及框支柱
在现代高层住宅的地下室和下部几层，由于停车和商业用房需较大空间，就得通过转换层来实现。在短肢剪力墙结构中，一般都只将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其于剪力墙框支。
据研究表明，“框支剪力墙结构当转换层位置较高时，转换层附近层间位移角及内力分布急剧突变，内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现；转换层下部的‘框支’结构易于开裂和屈服，转换层上部几层墙体易于破坏。这种结构体系不利于抗震。高烈度区(9度及9度以上)不应采用；8度区可以采用，但应限制转换层设置高度，可考虑不寅超过3层；7度区可适当放宽限制。”因此，建议在6度抗震设防区，短肢剪力墙结构中转换层设置高度不宜超过5层，避免高位转换。转换层上下的层刚度比y宜接近1，不宜超过2。转换层位置较高时，宜同时控制转换层下部“框支”结构的等效刚度(即考虑弯曲剪切和轴向变形的综合刚度)，使EgJg与EcJc接近。EgJg为剪力墙结构的等效刚度，剪力墙结构高度取框支层的总高度，其平面和层高与转换层上部的剪力墙结构相同；EcJc为转换层下部“框支”结构的等效刚度。研究表明，“控制转换层下部框支”结构的等效刚度对于减少转换层附近的层间位移角和内力突变是分必要的，效果也很显著。”
短肢剪力墙和异形柱的研究综述 篇3
关键词：短肢剪力墙,异形柱,影响因素
随着现代住宅建筑的不断发展,剪力墙结构得到了充分的应用。GB 50011-2001建筑抗震设计规范中现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度,抗震墙(即平常提到的剪力墙)比框架有明显提高。剪力墙结构的刚度和整体性比较好,可以用于住宅等非公用建筑,剪力墙结构体系的应用使现代建筑体系渐渐满足业主的要求。随着建筑上要求平面及房间布置灵活、方便,室内不出现柱楞、不露梁等,其使用空间增加,空间可变性增加。
1短肢剪力墙
1.1短肢剪力墙的定义及特点
短肢剪力墙的一般定义是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙,截面厚度不应小于200 mm。文献[1]指出这只是从墙肢的截面尺寸考虑,实际中还应考虑连梁和洞口对短肢剪力墙性能的影响。而且通常采用T形,L形等形式,偶尔也会出现十字形。但短肢剪力墙的抗震性能不如截面高度与厚度之比大于8的一般剪力墙。高层建筑不允许采用全部为短肢墙的剪力墙结构,应设置一定数量的一般剪力墙和井筒[2]。
结构倒塌往往是由于竖向构件破坏造成的,既抵抗竖向荷载,又是抗侧力的竖向构件,属于重要构件,竖向构件的设计不仅要考虑抵抗水平力时的安全,更要考虑在水平力作用下出现裂缝或塑性铰以后,它是否仍然能够安全地承受竖向荷载。而短肢剪力墙和异形柱在弹塑性阶段是否能持续安全地承受竖向荷载的问题值得引起注意。在高层建筑中,短肢剪力墙与异形柱相比,是比较常用的构件[3]。
1.2短肢剪力墙弹塑性性能的影响因素
影响短肢剪力墙弹塑性性能有如下几个主要因素[4]。
1.2.1整体性系数
主要是对于规则开洞的剪力墙结构,双肢剪力墙结构。
其中,各符号的意义见文献[3]。
表征了连梁与墙肢的相对刚度,它不仅与墙肢内力分布有关,对连梁内力分布也有很大影响。当系数变大时,连梁承受的弯矩比例上升,墙肢承受的弯矩比例下降,所以当连梁屈服后墙肢弯矩迅速增加,加速了剪力墙的破坏。在实际工程中要注意系数的取值。
1.2.2肢强系数
肢强系数是一个表征墙肢相对强弱的物理量。
其表达式为ζ=In/I,其中,为墙肢i截面的面积;ri为墙肢i截面形心到组合截面形心的距离;I为组合截面的惯性矩。
1.2.3连梁配筋率
连梁的合理设计是确保短肢剪力墙具有良好弹塑性性能的重要因素,应保证连梁的屈服先于墙肢的屈服。为此应合理控制连梁的抗弯强度,使之不要过大,但也不能太小,因为连梁抗弯强度减小将会降低短肢剪力墙的承载能力。连梁刚度较大,或者配筋较多而连梁不屈服,都有可能使开洞剪力墙的性能趋近于悬臂墙,对于实现超静定结构和提高剪力墙的延性是不利的[3]。
1.2.4墙肢翼缘
7度和8度抗震设计时,短肢剪力墙宜设置翼缘。一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。剪力墙结构平面内刚度大,平面外的刚度却很小。所以在平常的结构设计中避免使用一字形剪力墙。
1.2.5肢厚比
在短肢剪力墙结构截面形式相同的条件下,当墙肢肢厚比在6.5左右时,结构的延性系数最大,受力性能较好,同时具有一定的能量储备,说明其抗震性能最好,因此建议在设计中采用肢厚比为6.5左右的短肢剪力墙比较好[5]。
1.2.6轴压比
轴压比为0.3左右的短肢剪力墙模型,荷载—位移曲线比较圆滑,延性较好,综合抗震性能较优[5]。而在实际抗震设计中,短肢剪力墙的抗震等级应比一般剪力墙的抗震等级提高一级采用。
短肢剪力墙用于住宅时,下部有停车场,这时需要转换结构体系,剪力墙不能全部贯穿下去,可以设梁转换以便获取下部更大的空间。与一般剪力墙相比,更容易处理,但都会造成下部刚度削弱,一般可以通过加强筒体及调整各构件尺寸来解决[6]。其最大适用高度比普通剪力墙降低一个等级,也就是普通剪力墙8度和9度的适用高度为100 m和60 m,短肢剪力墙7度和8度的适用高度为100 m和60 m。
2异形柱
异形柱的截面几何形状为L形,T形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。肢厚不应小于200 mm,肢高不应小于500 mm[7]。异形柱的适用高度比框架结构的要有所降低。根据建筑布置及结构受力的需要,异形柱结构中的框架柱,可全部采用异形柱,也可部分采用一般框架柱。其设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用特别不规则的结构设计方案。异形柱的影响因素有以下几方面。
2.1轴压比控制
轴压比是影响混凝土柱延性的一个关键指标。由试验结构分析,柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。异形柱结构剪力中心与截面形心不重合,剪应力使混凝土柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝,产生腹剪破坏,加上异形柱多属短柱,这些导致异形柱脆性明显,使异形柱的延性普遍低于矩形柱,因而对异形柱的轴压比要严格控制。在《混凝土异形柱结构技术规程》中,其轴压比按混凝土设计规范中框架柱的要求减少0.2～0.3,其适用高度较低,最高适用高度为45 m。
2.2配筋构造
在正确的结构选型及计算后,截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱肢端部会出现较大应力,加上梁作用于柱肢上应力的不均匀,进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时,应在肢端设暗柱,暗柱的外排钢筋由计算而定[9]。
综上所述,短肢剪力墙和异形柱是随着现代住宅体系而发展起来的,短肢剪力墙具有更大的适用性。在实际设计中,要充分考虑到结构的影响因素,了解其破坏机理,采用合适的结构体系,进一步使理论研究指导工程实践。
参考文献
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[6]容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[J].建筑结构学报,1997,18(6):14-19.
[7]JGJ149-2006,混凝土异形柱结构技术规程[S].
[8]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
试论建筑框架结构异形柱设计 篇4
关键词：异形柱；结构；布置；设计
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）27－0085－02
随着人们对住宅空间的要求越来越高，异型柱框架结构体系在一定程度上满足方便的室内装饰和家具布置，得到了广泛运用。在异形柱结构设计中，应重点注意异形柱截面、内力、变形、抗震性能等方面，而结构布置及异形柱选形、异形柱结构计算分析及构造措施等方面则是确保设计质量和结构安全的关键。
1 异形柱在结构设计的一般规定
实施的新规范中，并没有把异形柱列入其内，说明国家对异形柱设计是非常慎重的，能够借鉴的也只有上面提到的两地方规程，同时仍应依据我国现行标准中的规定，进行截面、构造、抗震等设计。
1.1 结构布置
异形柱框轻结构平面布置的一般原则为：在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状和刚度均匀对称，明显不对称的结构应考虑扭转对结构受力的不利影响，异形柱框架应双向设置，并宜纵向交联。竖向布置的一般原则为：异形柱结构的竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑、内收以及楼层刚度沿竖向的突变。
1.2 适用高度及高宽比、长细比、肢长等限制
（1）异形柱根架在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度≤35 m，高宽比不宜超过5；8度区房屋高度≤25 m，高宽比不宜超过4。
（2）柱净高与截面长边之比即长细比不宜＜4且≤8。根据砼结构规范，长细比＜4即短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。长细比＞8，易引起附加偏心矩，对轴压构件及小偏心受压构件承载力影响较大。
（3）根据长细比不宜＜4，在梁高为600 mm的前提下，当标准层层高为3.0 m时，异形柱的最大肢长可为600 mm；底层层高为4.2 m时，肢长可为900 mm。因此，异形柱的柱肢不应过长，各肢肢高与肢厚比不应＞4，且异形柱截面肢厚对多层建筑不应＜150 mm；对高层建筑不应＜200 mm。
1.3 抗震等级
异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。根据规定：抗震设防烈度为7度，房屋高度＜22 m时，为三级抗震，高度≥22 m时，为二级抗震；抗震设防烈度为8度，房屋高度≤25 m时，为二级抗震。广东《规程》规定异形柱框架结构只适用于抗震设防烈度为7度及7度以下的地区且房屋高度不超过35 m。
异形柱框架结构对房屋高度控制比较严格，一般仅适用于多层住宅。但由于它在结构布置上灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等优点，使之成为近几年住宅设计的一种潮流，不论别墅、多层甚至小高层，作为房产开发商几乎都要求设计院设计成钢筋砼异形柱结构体系。因此，设计人员必须慎重对待，不可盲目跟风，应严格控制各项设计参数。
2 异形桩受力性能特点及轴压比控制
异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，对于偏压构件，矩形截面的受压区总是矩形，内力臂较大；而对异形柱，受压区图形通常比较复杂，可能为二边形，也可能为多边形。对于受压区呈多边形分布的截面，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过快，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。
异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带未的影响不容忽视，因此，对异形柱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，PKPM、GSCAD、TBSA等国产结构软件均可做异形柱框架结构计算。但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战。而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还未完全建立起来，这就给异形柱设计带来了一定的难度，必须在概念设计上予以加强。
作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，满足抗震要求，同时避免长细比＜4的短柱。抗震设计中规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱。天津大学的试验研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，因此，异形柱的参数控制应比框肢柱更为严格。
3 异形柱框架结构设计构造
3.1 框架柱
（1）柱纵筋与箍筋设置形式有“L”、“T”、“十”及双排布置等形式。在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应＞25 mm，且≥14 mm：纵筋间距＞250 mm时，应设置纵向构造筋，其直径可采用12 mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。
（2）柱截面厚度＜200 mm时，纵向受力钢筋每排不应多于2根；肢厚在200～250 mm时，每排钢筋不应多于3根，必要时可分二排设置，二排钢筋之间的净距不应＜50 mm。
（3）框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为2级时，中柱、边柱不应＜0.7%，角柱不应＜0.9%；抗震等级为3级时，中柱、边柱不应＜0.6%，角柱不应＜0.8%。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率，抗震设计时，对Ⅱ、Ⅲ级钢筋不宜＞3%。
（4）框架柱应采用复合箍，严禁采用具有内折角的箍筋，箍筋必须做成封闭式，箍筋末端做成≥135 °的弯钩，弯钩端头直段长度不应＜10 d（d为箍筋直径）。
（5）箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1/6和500 mm者中的最大值，在加密区内，箍筋的直径不变，其间距为100 mm。
3.2 框架节点
（1）框架梁的截面宽度与异形柱的肢宽相等或梁截面宽度每侧凸出柱边＜50 mm时，在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边＞800 mm处，且满足＜1/25坡度的条件下向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。
（2）当框架梁的截面宽度的任一侧凸出柱边≥50 mm时，则该侧梁角上的纵向受力钢筋可在本肢柱筋外侧伸入梁柱节点内。
3.3 柱与填充墙的连接
（1）异形柱框架结构的填充墙应采用轻质墙体材料，并必须与框架可靠连接。当采用砌体填充墙时，在框架与填充墙的交接处，沿高度每隔500 mm或砌体皮数的适当倍数，用钢筋与柱拉接，钢筋由柱的每边伸出，进入墙内的长度：2级抗震时沿填充墙全长设置；3级时不小于填充墙长的1/5及700 mm，填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于M 2.5。
（2）填充墙长度＞5 m时，墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过4 m时，宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋砼水平墙梁。
4 结束语
总之，异形柱框架结构有着较大的市场需求，具有良好的发展前景，只有充分了解异型柱的受力特点，正确把握设计要点，才能使之有可靠的安全保证。
参考文献
1 郑宏强.探讨异形柱框架结构的设计［J］.山西建筑，2009（24）
2 王丽娟.异形柱框架结构的设计与应用［J］.中外建筑，2007（7）
On the Special－shaped Column Design of Construction Frame Structure
Wei Yu
Abstract: This article first describes the general requirements of special－shaped columns design for frame structure, analyzes the force performance characteristics of special－shaped column and axial compression ratio control, and finally elaborates the special－shaped column design of construction frame structure.
异形柱—剪力墙 篇5
随着人们对住宅, 特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高, 原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔己不能满足人们对住宅空间的要求。于是在原有剪力墙的基础上, 吸收了框架结构的优点, 逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构形式, 即短肢剪力墙结构和异形柱框架结构的形式。这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点, 受到了建筑师的肯定, 更得到了住户与房地产开商的欢迎。
2 短肢剪力墙结构与异形柱结构的简要介绍
2.1 短肢剪力墙结构
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5~8倍剪力墙结构, 常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。对短肢剪力墙结构的设计计算, 基本上与普通剪力墙结构分析相同, 可采用三维杆一系簿壁柱空间分析方法或空间杆一墙组元分析方法, 其中空间杆一墙组元分析方法计算模型更符合实际情况, 精度较高。虽然三维杆系一簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广, 但对墙肢较长的短肢剪力墙, 应该用空间杆一墙组元程序进行校核。
2.2 异形柱结构
异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4, 相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙, 常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。目前, 异形柱结构设计还没有统一的国家规范, 仅有两部地方性法规, 即广东省标准DBJ/T15-15-95和天津市标准DB29-16-98可供参考。总之, 短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的市场需求, 在设计中根据其受力的特点, 充分了解其破坏的各种机理, 选用合理的结构形式, 正确掌握计算机分析方法和截面配筋, 其结构才能有可靠的安全保证。
3 异形柱结构形式的设计
异形柱结构形式有异形柱框架结构、异形柱框架一剪力墙结构和异形柱框架一核心筒结构。异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称, 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。因此, 对异形柱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。因异形柱和剪力墙受力不同, 所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计, 相对于异形柱结构, 短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟, 但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。1) 由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小, 设计时宜布置适当数量的长墙或利用电梯、楼梯间形成刚度较大的内筒, 以避免设防烈度下结构产生大的变形, 同时也形成两道抗震设防;2) 短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢, 当有扭转效应时, 会加剧己有的翘曲变形, 使其墙肢首先开裂, 应加强其抗震构造措施, 如减小轴压比、增大纵筋和箍筋的配筋率;3) 高层短肢剪力墙结构在水平力作用下, 显现整体弯曲变形为主, 底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力, 由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂, 因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量, 加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接, 避免形成孤立的“一”字形墙肢;4) 各墙肢分布要尽量均匀, 使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近, 必要时用长肢墙来调整刚度中心;5) 高层结构中的连梁是一个耗能构件, 在短肢剪力墙结构中, 墙肢刚度相对减小, 连接各墙肢间的梁己类似普通框架梁, 而不同于一般剪力墙间的连梁, 不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调, 使其设计内力降低, 应按普通框架梁要求, 控制混凝土压区高度, 其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70~80%来解决, 按强剪弱弯、强柱弱梁的延性要求进行计算。
4 短肢剪力墙结构及其计算
短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在进行异形柱结构设计时, 除满足高规中对结构布置要求外, 还应注意几个的问题:
4.1 异形框架的计算
由于其截面的特殊性, 在柱截面对称轴内受水平力作用时, 弹性分析计算其翘曲应力很小, 此时如同承受水平力的偏压构件, 仍可按平截面假定分析, 按混凝土设计规范计算, 特别是在框一剪, 框一筒结构中, 对Ⅵ度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地, 框架柱只承担水平风载的一小部分, 如按一般偏压柱计算, 误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大, 且水平力作用在非主轴方向, 则翘曲应力不容忽视, 按平截面假定误差较大, 则应对异形柱框架结构进行有限元分析, 决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时, 宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式, 如要用它进行计算, 要先进行等刚度等面积换算成矩形柱, 进行整体分析, 得到双向内力后再进行异形柱的截面设计, 其工作量相当大, 且截面设计的可靠性不高。
4.2 轴压比控制
对框架结构、框一剪结构、柱的延性对于耗散地震能量、防止框架的倒塌, 起着十分重要的作用, 且轴压比又是影响混凝土柱延性的一个关键指标。在高轴压比情况下, 增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小, 因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要, 特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合, 剪应力使混凝土柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝, 产生腹剪破坏, 加上异形柱多属短柱, 这些导致异形柱脆性明显, 使异形柱的延性普遍低于矩形柱, 因而对异形柱的轴压比要严格控制。
5 短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
建筑平面外边缘及角点处的墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应, 建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂:在地震作用下, 高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为土, 底部外围的小墙肢, 截面面积小且承受较大的竖向荷载, 破坏严重, 尤羚“一”字形小墙肢破坏最严重;在短肢剪力墙结构中, 由于墙肢刚度相对减小, 使连梁受剪破坏的可能性增加。因此, 在短肢剪力墙结构设计中, 对这些薄弱环节, 更应加强概念设计和抗震构造措施。
6 结语
异形柱—剪力墙 篇6
随着人们对住宅特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高, 原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是在原有剪力墙的基础上, 吸收了框架结构的优点, 逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式, 即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点, 受到了建筑师的肯定, 更得到了住户与房开商们的欢迎, 是设计的一种趋势, 下面就对这两种新的高层住宅结构型式的受力特点、结构分析及构造要求进行阐述。
2 结构特点
2.1 短肢剪力墙结构
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5~8倍的剪力墙结构, 它是适应建筑要求而形成的特殊剪力墙结构。这种结构型式的特点是:a.结合建筑平面, 利用间隔墙位置来布置竖向构件, 基本上不与建筑使用功能发生矛盾;b.墙的数量可多可少, 肢长可长可短, 主要视抗侧力的需要而定, 还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置;c.能灵活布置, 可选择的方案较多, 楼盖方案简单;d.连接各墙的梁, 随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内, 可隐蔽;e.根据建筑平面的抗侧刚度的需要, 利用中心剪力墙, 形成主要的抗侧力构件, 较易满足刚度和强度要求。对短肢剪力墙结构的设计计算, 因其是剪力墙大开口而成, 所以基本上与普通剪力墙结构分析相同, 可采用三维杆系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况, 精度较高, 如清华大学的TUS软件、ETABS软件等。虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广, 但对墙肢较长的短肢剪力墙, 应该用空间杆-墙组元程序进行校核。
在进行以上分析后, 按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计, 相对于异形柱结构, 短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟, 但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。a.由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小, 设计时宜布置适当数量的长墙, 或利用电梯, 楼梯间形成刚度较大的内筒, 以避免设防烈度下结构产生大的变形, 同时也形成两道抗震设防;b.短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢, 当有扭转效应时, 会加剧已有的翘曲变形, 使其墙肢首先开裂, 应加强其抗震构造措施, 如减小轴压比, 增大纵筋和箍筋的配筋率;c.高层短肢剪力墙结构在水平力作用下, 显现整体弯曲变形为主, 底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力, 由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂, 因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量, 加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接, 避免形成孤立的“一”字形墙肢;d.各墙肢分布要尽量均匀, 使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近, 必要时用长肢墙来调整刚度中心;e.高层结构中的连梁是一个耗能构件, 在短肢剪力墙结构中, 墙肢刚度相对减小, 连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁, 而不同于一般剪力墙间的连梁, 不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调, 使其设计内力降低, 应按普通框架梁要求, 控制砼压区高度, 其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%-80%来解决, 按强剪弱弯, 强柱弱梁的延性要求进行计算。
2.2 异形柱结构L异形柱结构是指柱肢的
截面高度与柱肢宽度的比值在2~4, 相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架-剪力墙结构和异形柱框架-核心筒结构。
由于其受力性能的复杂, 设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称, 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。因此, 对异形柱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。在进行异形柱结构设计时, 除满足高规中对结构布置要求外, 还应注意几个方面的问题:a.异形框架的计算:由于其截面的特殊性, 在柱截面对称轴内受水平力作用时, 弹性分析计算其翘曲应力很小, 此时如同承受水平力的偏压构件, 仍可按平截面假定分析, 按砼设计规范计算, 特别是在框-剪, 框-筒结构中, 对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地, 框架柱只承担水平风载的一小部分, 如按一般偏压柱计算, 误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大, 且水平力作用在非主轴方向, 则翘曲应力不容忽视, 按平截面假定误差较大, 则应对异形柱框架结构进行有限元分析, 决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时, 宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式, 如要用它进行计算, 要先进行等刚度等面积换算成矩形柱, 进行整体分析, 得到双向内力后再进行异形柱的截面设计, 其工作量相当大, 且截面设计的可靠性不高。目前, 国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有TAT、SATWE程序, SS、SSW等。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。b.轴压比控制对框架结构, 框-剪结构, 柱的延性对于耗散地震能量, 防止框架的倒塌, 起着十分重要的作用, 且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。由试验结构分析, 柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况下, 增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小, 因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要, 特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合, 剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝, 产生腹剪破坏, 加上异形柱多属短柱, 这些导致异形柱脆性明显, 使异形柱的延性普遍低于矩形柱, 因而对异形柱的轴压比要严格控制。在广东规程中, 其轴压比按砼设计规范中的要求减少0.05, 但其适用高度较低, 一般为35m。当高层建筑的高度进一步加大时, 其水平力的影响会愈来愈显著, 对结构的延性要求也愈高。为在实际工作中便于使用, 可按不同的截面形式 (L、T、十字型) 与不同的抗震等级两项指标从严控制, 对低烈度地区的这类结构是能够满足其延性要求的。c.配筋构造在正确的结构选型及计算后, 截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点, 柱肢端部会出现较大应力, 加上梁作用于柱肢上应力的不均匀, 一般越靠肢端应力越大, 对柱肢形成偏心压力, 进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时, 应在肢端设暗柱, 暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设2Ф14的构造纵筋, 箍筋同柱, 这样可限制柱肢的砼裂缝的开展, 提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪, 也可约束砼变形, 增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍, 因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下, 箍筋直径大, 其延性指标好, 因而箍筋且用Ф8、Ф10, 其间距可比普通柱箍筋间距小。
3 结论
总之, 短肢剪力墙结构与异形柱框架结构有着较大的市场需求, 在设计中根据其受力的特点, 充分了解其破坏的各种机理, 选用合理的结构形式, 正确掌握计算机分析方法和截面配筋, 其结构才能有可靠的安全保证。
异形柱—剪力墙 篇7
关键词：高层建筑,短肢剪力墙,异形柱结构
0 引言
随着经济的发展, 生活水平的提高, 在住宅环境、格局、空间, 以及高层住宅平面与户型等方面人们提出了更高的要求。在住宅空间需求逐步提高的现代社会, 以露梁露柱、普通剪力墙结构为主的传统框架结构在如今的工程实践中已不多见。为了进一步适应人们新的住宅观念, 满足人们对高层住宅结构型式的需要, 设计师基于传统剪力墙的优点, 设计出更符合现代住宅要求的“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。这两种结构凭借自身的优势, 弥补了普通框架与普通剪力墙结构的不足, 进而受到建筑师的认可和关注。为了进一步推广这种构造形式, 笔者将对这两种结构型式进行细致的分析。
1 短肢剪力墙结构
工程中常见的“T”型、“L”型、“十”字型、“Z”型、折线型、“一”字型等类型的短肢剪力墙, 其截面厚度一般不到300mm, 各肢截面高度与厚度之比的最大值在4~8之间。
对于这种结构型式来说, 其特点主要表现为:
(1) 利用间隔墙位置, 对竖向构件进行布置, 不会对建筑的使用功能构成影响; (2) 墙的数量具有一定的随机性, 同时肢长没有限制, 主要根据抗侧力的实际需要来决定; (3) 布置灵活, 多种方案可供选择, 并且楼盖方案比较简单; (4) 对于连接各墙的梁, 可以在间隔墙竖平面内设置墙肢位置, 并且可以隐蔽; (5) 根据建筑平面实际的抗侧刚度, 利用中心剪力墙, 形成主要的抗侧力构件, 进而在一定程度上满足刚度、强度的需要。
在理论与实践方面, 短肢剪力墙结构较异形柱结构来说要较为成熟, 但是, 在设计这种结构的过程中, 以下方面需要给予高度的关注。
(1) 与普通剪力墙结构相比, 由于短肢剪力墙结构的抗侧刚度比较小, 因此在设计过程中, 需要适当增加长墙的数量, 或者利用电梯, 以及楼梯间形成较大刚度的内筒, 进而在一定程度上避免设防烈度下结构产生大的变形; (2) 对于短肢剪力墙结构来说, 建筑平面外边缘的角部处的墙肢是抗震的薄弱部位, 当出现扭转效应时, 已有的翘曲变形会变得更加严重, 进而在一定程度上造成墙肢首先发生开裂。因此, 需要对抗震构造采取相应的措施; (3) 在水平力作用下, 对于高层短肢剪力墙结构来说, 主要是整体弯曲变形, 并且较大的竖向荷载和扭转剪力由底部外围小墙肢来承受, 在这种情况下, 需要进一步加强小墙肢的抗震性能; (4) 均匀分布各墙肢, 进一步使其刚度中心尽量接近建筑物的中心, 在必要的情况下, 可以通过长肢墙对刚度中心进行调整; (5) 连梁作为高层住宅结构中的耗能构件, 在短肢剪力墙结构中其墙肢刚度较小。连接各墙肢间的梁虽然和普通框架梁无明显区别, 但是不同于剪力墙间的连梁。在整体结构中, 连梁应该保持一定的刚度, 否则无法保证其设计内力达到预期要求。通常情况下, 需要按照普通框架梁的实际情况, 对砼压区高度进行控制。
2 异形柱结构
异形柱结构是指截面各肢的肢高与肢厚比不大于4的钢筋混凝土柱, 与正方形、矩形柱柱子相比, 存在一定的差异。通常情况下, 它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙。目前业界通用的结构形式除“十”字型以外, 还有“L”型和“T”型。
这种结构的特点是:
(1) 截面结构特殊, 墙肢平面内外两个方向刚度严重不一致, 致使各向承载能力因刚度的差异而存在差异性; (2) 长柱 (H/h>4) 的剪切变形忽略不计。控制轴压较小时, 受力情况良好, 变形效果可控。短柱 (H/h<4) 则要充分考虑剪切变形的影响。异形柱通常为薄壁型短柱异形柱, 柱体遭到延性破坏后, 截面曲率M/EI或εcu/χ (εcu为砼的极限压应变, χ为截面受压区高度) 较小, 因而弯曲变形可控; (3) 多肢异形柱的平面范围内有剪切中心。在受力情况下, 必须通过各柱肢交点部位核心砼对内力及变形进行有效协调, 在这种情况下, 各柱肢内往往会产生较大的翘曲应力及剪应力。而柱肢早期裂缝基本是剪应力所致。另外, 剪应力也使各肢核心砼处于三向剪力状态, 降低了普通截面柱变形能力, 并伴有严重的脆性破坏;
设计异形柱结构时, 首先考虑高规的相关要求, 其次要关注以下几个关键节点:
2.1 异形框架的计算
异形框架截面相对特殊, 由于柱截面对称轴内存在水平力, 使得弹性分析计算其翘曲应力很小, 使得构件成为承受水平力的偏压构件。允许基于平截面标准作假定分析, 并依照参考砼设计规范进行计算, 尤其是在“框-剪、框-筒”结构中, 在烈度区为6度或6度以下的Ⅰ、Ⅱ类场地的框架柱, 可以承担的水平风载非常少, 只需参考一般的偏压柱计算方法便可得到相对精准的分析结果。这时, 异形柱代换成刚度和面积相同的矩形柱后可作整体分析。当非主轴方向上存在较大的水平力时, 一定要考虑翘曲应力, 若以平截面的标准作假定分析, 可能出现大的误差。正确的方法是分析异形柱框架构造的有限元, 用以调整内力、配筋的位置和大小。运用专业计算软件 (比如, 建研院的TAT、SATWE程序) 计算内力及配筋。运用TAT、SATWE程序计算正截面配筋, 一是可确保数据分析结果准确可靠, 二是能提高结构的安全系数, 确保设计质量达标。
2.2 轴压比控制
从框架结构与框-剪结构形式来看, 柱的延性往往能有效疏散地震能量, 提高框架的稳固性。在结构设计中, 砼柱延性的优劣还取决于轴压比的合理性。经试验验证得知, 轴压比越大, 柱的侧移延性比越小。
在高轴压比条件下要提高柱的延性, 仅仅通过增加箍筋数量难以奏效。由此可见轴压比的变化对柱的延性影响程度之深。尤其是异形柱结构剪力中心和截面形心相互错位, 砼柱肢在剪应力的作用下往往比普通矩形压剪构件更早开裂, 使得构件承受腹剪破坏。另外, 短柱异形柱受到的脆性破坏更为严重, 使得异形柱延性低于矩形柱。因此, 为确保构件质量达标, 必须合理控制异形柱的轴压比。
2.3 配筋构造
按设计要求进行选型计算后, 要确保异形柱受力效果良好, 还应关注截面内钢筋的构造。鉴于异形柱截面固有的特点, 通常会在柱肢端部产生大的应力, 加之柱肢所受梁的应力作用不均衡, 应力作用最明显的肢端往往使柱肢存在偏心压力, 从而使肢端所承受的压应力更加明显。鉴于此, 在异形柱配筋阶段, 须将暗柱设于肢端。将2Ф14的构造纵筋布置在离端部厚度范围内, 使箍筋同柱, 对柱肢砼开裂能够起到限制作用, 异形柱局部抗压抗剪性能得以改善, 同时可防止构件发生严重的形变。
3 结语
当前, 短肢剪力墙结构与异形柱框架结构已被广泛应用在建筑施工领域。在设计中, 基于结构受力特性掌握其破坏机理, 优化调整结构形式, 确保计算机分析及截面配筋计算正确无误, 才可提高结构设计的经济性和安全性。
参考文献
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[2]邱棉伟.建筑短肢剪力墙与异形柱结构的分析计算[J].中小企业管理与科技 (上旬刊) , 2008 (08) .
论述建筑框架结构异形柱设计 篇8
1 框架结构异形柱
在进行建筑框架结构设计的过程中是离不开异形柱的设计的, 异形柱是一个极其重要的支撑体系, 如果建筑框架中没有合适的异形柱, 那么整体的建筑框架结构就会出现问题。异形柱就是指异性的截面柱, 因为建筑物并不是完全规则的, 这样就对整个建筑框架结构有着较高的要求, 在这样的情况下就出现了异形柱, 异形柱框架结构主要是在矩形框架和剪力墙之间的一个结构, 在肢高上也非常的接近框结构的受力, 这样就需要结合实际的情况进行异形柱的设计, 在进行异形柱的设计的时候, 需要将整体性工作做好, 保证异形柱是满足框架结构的要求的。普通的钢筋混凝土框架在截面上主要是呈现:圆形、方形和矩形, 但是在异形柱的截面上也有着一定的体现, 在这样的情况下, 就要使用几何形状的异形柱, 因此, 在使用异形柱的过程中, 一定要考虑整个建筑主体的刚性和承载力进行异形柱的设计。
2 异形柱的设计特点
异形柱在设计的时候还要考虑整个建筑的特色, 在使用异形柱的过程中, 对于墙壁也是起到围护的作用, 不需要承受着任何的重量, 如果使用的是轻质的墙壁, 那么就要将建筑整体性考虑好, 在使用异形柱的过程中, 建筑框架结构会受到的影响是极其小的, 在布置上也是极其灵活的, 这样对于业主来说是极其有利的, 业主可以充分的享受大的建筑空间, 在这一建筑框架结构的设计中, 还要对整体的建筑框架进行分析主要体现在以下几点:
2.1 质量较轻、刚度较高。
异形柱框架结构通过与矩形的框架结构进行对比, 这样就可以保证整个异形柱的框架结构体系, 在正常使用的过程中, 还要提升整个抗震性, 保证设计的质量和刚度, 如果抗震性上得到合理的利用, 那么就可以保证整个建筑结构的安全性和稳定性。异形柱的这一特点在建筑框架结构设计的过程中是非常关键的, 由于有着很强的安全性, 引起了很多建筑结构设计者的注意。
2.2 性价比高。
在性价比上的施工会增加一定的难度, 在这样的情况下, 也有着很大的优势, 由于有着很大的安全性, 尽管在性价比上有着一定的难度, 但是由于自身的特性就导致了基础面积的使用费是非常少的, 性价比上也有着一定的优势, 从这样的情况来看, 总体的经济效益也十分的明显。
异形柱的设计尽管已经经过了很长的历史, 但是也存在着很大的难题, 需要进行改进, 不仅在安全性上满足要求, 还要在美观性上满足基本的要求, 这样就要在整个设计的过程中综合考虑不断提高设计的理念, 提高施工的质量。
3 建筑框架结构异形柱设计的要点
3.1 高度比、肢长比和长细比。
在异形柱框架上利用7度抗震来设立防烈度区, 整个房屋的高度一定要小于35m, 如果是8度区的房屋高度, 那么高度需要小于25m, 高宽比上也不能够超过4, 这就是基本的要求。
柱的净高和截面之间的长细比一定要小于8, 但是不能够小于4, 否则是无法达到相关的标准的。还要根据砼的结构进行合理的规范, 如果在长细比上小于4, 那么就属于短柱, 短柱容易被破坏, 基于这种情况, 建筑框架异形柱设计要尽量避免出现短柱, 这样的结构设计才是合理的, 在整个建筑结构设计中需要将整个建筑结构设计做好。如果异形柱在长细比上大于8, 易引起附加偏心矩, 对轴压构件及小偏心受压构件承载力影响较大。根据长细比不宜<4, 在梁高为600mm的前提下, 当标准层层高为3.0m时, 异形柱的最大肢长可为600mm;底层层高为4.2m时, 肢长可为900mm因此, 异形柱的柱肢不应过长, 各肢肢高与肢厚比不应>4, 且异形柱截面肢厚对多层建筑不应<150mm;对高层建筑不应<200mm。
3.2 异形柱框架结构设计构造
3.2.1 柱纵筋与箍筋设置形式有“L”、“T”、“十”及双排布置等形式。
在同一截面内, 纵向受力钢筋宜采用相同直径, 其直径应≥14mm, 且小于25mm:纵筋间距>250mm时, 应设置纵向构造筋, 其直径可采用12mm, 并设拉筋, 拉筋间距为箍筋问距的两倍。
3.2.2
柱截面厚度<200mm时, 纵向受力钢筋每排不应多于2根;肢厚在200~250mm时, 每排钢筋不应多于3根, 必要时可分二排设置, 二排钢筋之间的净距不应<50mm。
3.2.3 框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率:
抗震等级为2级时, 中柱、边柱不应<0.7%, 角柱不应<0.9%;抗震等级为3级时, 中柱、边柱不应<0.6%, 角柱不应<0.8%。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率, 抗震设计时, 对Ⅱ、Ⅲ级钢筋不宜>3%。
3.2.4 框架柱应采用复合箍.
严禁采用具有内折角的箍筋, 箍筋必须做成封闭式, 箍筋末端做成≥135°的弯钩, 弯钩端头直段长度不应<10d (d为箍筋直径) 。
3.3 抗震等级对异性柱框架设计的影响。
异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级, 并应符合相应的计算和构造措施要求。根据规定:抗震设计防烈度为7度, 房屋高度<22m时, 为三级抗震, 高度>22m时, 为二级抗震;抗震设防烈度为8度, 房屋高度≤25m时, 为二级抗震。有些地区的《规程》还规定了异形柱框架结构只适用于抗震设防烈度为7度及7度以下的地区且房屋高度不超过35m。
3.4 如何减轻扭转力对建筑的影响。
异形柱框架结构的设计要尽量使结构平面对称, 使建筑平面和刚度达到更高的均匀度, 在设计过程中, 异形柱框架结构的两个主轴方向应协调布置, 并宜纵向交联, 这样是为了避免扭转对整体异形柱框架结构带来的不利影响, 如果已经发生了明显的不对称, 一定要及时评估扭转对于结构受力的不利影响, 及时修正, 让建筑结构更加具有性价比和安全性。
4 结论
建筑框架结构异形柱设计, 需要综合多方面的因素, 整合多方面的资源来整体考虑和进行。异形柱框架结构具有抗震性高、室内空间布局灵活等等优点, 在实际的建筑框架异形柱设计中应该尽可能体现, 扬长避短, 让异形柱框架结构的优势体现出来。
参考文献
[1]张华.宾馆建筑异形柱框架结构设计探讨[J].建筑设计管理, 2012 (10) .
[2]阳旦娇.探讨异形柱框架结构设计在建筑工程中的应用[J].广东建材, 2011 (11) .
浅析异形柱框架结构设计 篇9
关键词：异形柱,轴压比,框架结构,节点构造
近年来, 随着现代化住宅建筑的不断发展以及人们对住宅平面与空间布置要求的不断提高, 原来普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的限定和分隔已越来越不能被房屋使用者所接受, 因为它直接影响到室内家具布置及空间使用的效果。异形柱框架结构很好地解决了这个问题。异形柱框架结构与传统的框架结构体系相比, 由于肢厚与填充墙基本等厚, 解决了普通矩形柱框架结构在房间内露柱造成的使用上不便的问题, 使用面积相应增加了许多, 同时解决了砖混结构超高和大开间要求存在的技术问题, 因此该结构受到了建筑师及广大用户的欢迎, 并推广应用。
异形柱框架结构与普通矩形柱框架结构的柱子在受力性能等方面不同, 因此异形柱框架结构在基本规定、计算、构造及施工方面均有不同的要求。本文着重对异形柱框架结构设计的一些疑难问题进行探讨。
异形柱框架结构是一种全新的结构体系。《混凝土异形柱结构技术规范》 (JGJ 149—2006) (以下简称《规范》) 中给出的异形柱定义为:截面几何形状为“L”形、“T”形和“十”字形, 且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。
1 异形柱框架结构体系的适应范围
异形柱框架结构的适应范围主要为:1) 抗震设防裂度为7度及7度以下地区;2) 房屋高度不超过27M;3) 柱网尺寸不大于7.2M, 当设置斜撑或剪力墙, 形成异形柱框一掌或异形柱框一剪结构体系, 房屋高度及抗震等级的确定可参照其他地区技术规程确定。
2 异形柱的轴压比
由于L、T、十、一形截面在压弯作用下其延性远不如矩形柱。现行规范中对框架柱轴压比限值的规定, 主要是按框架柱出现以受拉钢筋先屈服的大偏心, 受压破压, 这种破坏是延性的。可将轴压比限值和延性限值相联系, 最后得出结论:截面的曲率延性μp与轴压比n, 箍筋间距与纵筋直径之比s/d, 箍筋直径dv以及荷载角四种因素有关。确定异形柱的轴压比时取相应延性最差的荷载角方向的μp、n、s/d的关系回归出计算公式, 具体可参见《建筑结构》1999.1, 钢筋混泥土异形截面双向压弯柱延性性能理论研究。
3 梁、柱、节点构造
目前有关异形柱框架结构的研究中, 有关节点受力的分析及研究甚少。由于异形柱肢宽与梁宽相等, 且各肢常只有一个方向的梁与之相连。这种节点抗剪力面积较小, 同事节点核心区狭小 (与梁柱同宽) , 梁上荷载传给柱子时应力分布复杂, 尤其在地震荷载其应力分布将更加复杂。当异形柱轴压比较大时, 这种节点将有可能极易破坏。因此设计此类节点时建议在节点范围内增设钢筋网片, 以提高节点的承载能力。
4 基础设计
异形柱的基础形式常见有条基、独立基础、桩基。在基础设计时应将基础的抗力中心重合, 并验算在两个主惯性轴方向的强度, 其他有关验算同普通混凝土柱。
5 异形柱框架结构计算
由于异形柱框架结构柱截面形式多种多样, 故一般采用三维整体分析方法。由实验得出, 异形柱截面变形基本符合平截面假定, 力学特性接近于柱。目前可采用柱模型进行三维计算分析常用设计软件有:TBSA、TAT、SATWE等。
TBSA不能直接属兔异形柱的截面形式, 须按柱子双向刚度相等的原则, 将异形截面简化成矩形截面, 但存在着面积差。同事L型柱截面心主轴的角度也发生了变化, 进而影响构件内力计算及周期位移, 同时柱的定位、梁的计算长度都有问题。
TAT、SATWE可直接输入异形柱的截面, 不存在柱子定位, 面积误差及截面形心主轴的变化问题。在计算异形柱刚度时, 以其主形心的主轴坐标作为参考点, 求出异形柱主形叠加。计算时按材料力学的经典公式求出各种异形截面在主轴的惯性钜和方向角, 并建立主轴的单元刚度, 与梁元刚度, 墙元刚度一起组集总刚, 故雨TBSA相比, 采用TAT、SATWE进行异形柱结构分析计算得出的内力更合理。
6 结语
随着我国经济和技术的高速发展, 人民生活水平的不断提高, 现代住宅建筑要求大开间、平面及房间布置灵活、方便、室内不出现柱楞、不露梁等。而普通的砖混房屋分隔单一, 开间受制约, 可变性差, 无法满足人们对建筑使用功能的不同使用要求。致使人们对异形柱框架结构的研究不断深入, 异形柱框架结构将越来越多的被人们采用。
参考文献
[1]钢筋混泥土异形截面双向压弯柱延性性能理论研究.建筑结构, 1999.
[2]混凝土异形柱结构技术规程理解与应用.中国建筑工业出版社.