钢筋混凝土异形柱结构的设计与应用初探.pdf

浙江建筑， 第2 7卷 ， 第5期 ， 2 0 1 0年 5月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 7，No 5 ，Ma y 2 0 1 0 钢筋 混凝土异形柱结构 的设计 与应用初探 Pr e I i ml n a S t u d y o n De s i g n a n d Ap p l ic a t i o n o f I r r e g u l a r Sh a p e d S t e e I Re i n f o r c e d Co n c r e t e Co l u mn St r u c t u r e 沐 方 中 M U Fa n g- z h o n g ( 浙江展诚建筑设计有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 5 ) 摘要 ： 结合钢筋混凝 土异形 柱框架结 构的研究及应 用现状 ， 探讨 了结构设计 中需要 注意 的若 干问题 。首先 钢筋混凝土异形 柱的选形 尤其重要 ， 其 次异形 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 的不 同， 第 三异形 柱合理 的构造措施 是至关重要 的。 关键 词： 钢筋混凝 土； 异形柱 ； 框架结构 ； 结构设计 ； 抗震设计 中圈分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 50 0 2 1 0 4 异形柱框架结构是在框架结构体系的基础上发展 起来的一种新的结构体系， 主要是为了解决框架柱柱 角露出墙外 的问题 ， 可将框架柱的矩形柱、 方柱改成 “ T ” 形、 “ L ” 形和“ 十” 形的异形柱， 来满足上述要求。 1 异形柱结构体 系的优点 ( 1 ) 在异形柱结构中， 传统的矩形柱改为 L形、 T 形、 十形， 能与分隔墙融合的形状， 柱肢与墙等厚。室内 不突出柱楞， 空间有效利用率大大提高， 房间美观实用， 平面布置灵活， 同时便于电线管道布置和室内装修。 ( 2 ) 异形柱结构墙体 的减 薄， 可大大增加使用 面积 ， 与砌 体 结 构 相 比， 可 增 加 使 用 面 积 8 1 0 ， 填充墙 的墙体 材料 ， 可根据 当地保温隔热要 求， 因地制宜， 就地取材 ， 例如多孔砖、 加气混凝土砌 块 、 空心混凝土砌块、 G R C轻质隔墙、 石膏板和陶粒 混凝土砌块等， 既减轻 了结构的 自重 ， 又降低 了能源 消耗 ， 取得良好的社会效益和经济效益。 ( 3 ) 异形柱结构体系很 大程度上降低 了结构 自 重 ， 在刚度相同的情况下 ， 一般异形柱构件 的截面面 积小于矩形柱截面面积 ， 柱子的自重减轻 ， 而且填充 墙材料可以采用轻质材 料， 所 以， 异形 柱结构 的 自 重， 能够降低到普通砌体结构 的 6 0 左 右， 而 自重 减轻可 以提高结构 的整体抗震及抗风性能 ， 并减轻 了基础的负担 ， 降低了造价。 所以异形柱结构是大力推行住宅产业现代化而 发展起来 的新型住宅结构体系 ， 已被列为 当前我国 住宅建设 中五种主要结构体系之一。 2钢筋混凝 土异 形柱 结构 的设计与应用 2 1 异 形柱及 其 结构 的定 义 ( 1 ) 混凝 土异 形柱 结 构技 术规 程 ( J G J 1 4 9 2 0 0 6 ) 对异形柱的定义是 ： 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( 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 。 ( 2 ) 所谓异形柱结构 ， 就是 以 T形 、 L形 、 十形的异 形截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件构成的结 构 ， 以避免框架柱在室内凸出， 少 占建筑空间， 改善建 筑观瞻为建筑设计及使用功能带来灵活和方便性。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。 收藕 日期 ： 2 0 1 0 0 3 0 l 作者简介 ： 沐方 中( 1 9 7 8 一 ) 。 男 ， 安徽巢湖人 ， 工程师 ， 从事建筑结构设计工作 。 2 2 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7 卷 2 2 钢 筋 混凝 土异形 柱结 构设 计 中应 注意的 问题 结构布置和异形柱选形。由于异形柱结构具有 受力复杂的特殊性 ， 因此在结构布置和异形柱选形 上应予注意。相同截 面和形状 的异形柱 ， 当肢高与 肢厚 比不 同时 ， 性 能也不 同 ； 另外 所受 荷载方 向不 同 性 能也会 有差 异 ； 当 截 面形 状 不 对 称 时性 能则 更 为 复杂。因此 ， 在结构布置时 ， 除了严格遵守 混凝土 异形柱结构技术规程 ( 以下简称 异形柱规程 ) 有 关条文外 ， 抗侧力构件力求合理均匀布置 ， 以减小结 构布置的不规则性 ， 避免产生过 大的偏心 和扭转 。 特别是异形柱框 架 剪力墙结构 ， 结构布置合 理与 否 ， 将 导致 平 面 是 否 规 则 、 偏 心 和扭 转 效 应 是 否 改 善， 同时关系到对抗震是否有利的大问题 。 试 验和理论分析 表 明， 异形柱截 面 中十形截 面承 载力高于 T形 ， T形又高于 L形 ， L形截面异形柱抗 震性能最差 ， 应尽量少用。如结构布置中基本为 L形 柱 ， 结构计算时会 出现很多指标难以满足设计要求。 另外 ， 宜采用等肢等厚异形柱。当不等肢时， 两肢肢 高 比不 宜大于 1 6 ； 不等 厚 时 ， 肢厚 差 不大 于 5 0 m m， 且最 小肢 长 高不应 小 于 5 0 0 mm， 最小 肢厚 不 应小 于 2 0 0 m m。工 程 中 经 常 出 现 门 边 L形 柱 肢 长 小 于 5 0 0 m m现象， 此时建议将长肢加长为短肢墙， 或更改为 矩形柱， 否则肢长小于5 0 0 m m的异形柱附加偏心矩取 值不符合规范要求， 且对框架节点核心区不利。 2 3 混凝 土异 形柱框 架 结构 与混 凝土 矩形 柱框 架 结构在设计 中的差异 ( 1 ) 对 于相 同烈度 和结构类型 的两种 体系 而 言， 异形柱结构适用的房屋最 大高度有较大幅度 的 降低 ， 结构弹性层间位移角限值 、 弹塑性层间位移角 限值更加严格一些 。 ( 2 ) 钢筋混 凝土房屋 应根 据烈 度 、 结 构类 型 和房 屋高度采用不同的抗震等级。对于相同烈度和结构 类型的两种体系而言， 异形柱结构抗震等级的确定方 法更加严格一些， 其在房屋高度的取值上降低了数值。 ( 3 ) 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平均值的比值不应大于 1 4 5 ； 而矩 形柱 框架 结构 的该 比值 为 1 5 0 。 ( 4 ) 抗 震 设 计 时 ， 对 于相 同 结 构 类 型 的 两 种 体 系而言 ， 异形柱的轴压 比限值根据异形柱不 同的形 式有相应的规定 ， 但均比矩形柱有不小幅度的降低， 意 味着要求 更加 严格 。 ( 5 ) 异形 柱结 构 的地 震 作用 计 算 ， 一 般 情况 下 ， 应 允许 在结 构两个 主 轴方 向分别 计算 水 平地震 作用 并进行抗震验算 ， 各方向的水平地震作用应 由该方 向抗侧力构件承担 ， 7度 ( 0 1 5 g ) 及 8度( 0 2 0 g ) 时 还应对与主轴成 4 5 。 方向进行补充验算。 ( 6 ) 异形柱结构的地震作用计算时 ， 在计算单 向水平地震作用时应计入扭 转影 响； 对扭转不规则 的结构 ， 水平地震作用计算应计入双向水平地震作 用 下的 扭转 影 响 。 ( 7 ) 试验 研 究 表 明 ， 异 形 柱 框 架 梁 柱 节点 核 心 区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁 柱节点的受 剪承载力 ， 是异形柱框架 的薄弱环节。 为了确保安全， 异形 柱结构要求对抗 震设计 的二 、 三 、 四级 抗震 等级 的梁 柱节 点 核心 区 以及 非 抗震 设 计 的梁柱 节点 核 心 区均 应进 行受 剪 承载力 计算 。在 设计 中， 可以采用梁端增设 支托或水平加腋等构造 措施 ， 来提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。 ( 8 ) 试 验 表 明 ， 异 形 柱 在 单 调 荷 载 特 别 在 低 反 复荷载作用下粘结破坏较矩形柱严重。故 异形柱 规程 规定 异形柱 在抗震 设计 时剪跨 比不应 小于 1 5 ， 也 是为 了避 免 出现 极 短 柱 ， 减 少 地震 作 用 下 发 生 脆 性粘结 破 坏 的危 险 性 。 2 4异形 柱结 构构 造要 求 合理的结构设计 ， 构造措施是至关 重要 的。为 了保证各构件间和 内部传力直接 、 明确 、 合理， 并具 有 足够 的耐久 性 ， 必须 采 取 构 造 措 施 。鉴 于 异形 柱 与矩形柱在截面、 内力和变形 、 抗震性能等的差异 ， 异形 柱 的构造 措施 要求 更 高 。 ( 1 ) 异形柱规程 第 6 1 3条规定 ， 异形柱结 构框架梁截 面高度抗震设 计 时不 宜小 于 4 0 0 mm。 当节点的非弹性变形较大时 ， 贯穿节点的柱纵 向钢 筋粘结退化与滑移加剧 ， 甚至 出现沿节点区柱纵 向 钢筋全长粘结破坏现象。梁截面高度太小会使柱纵 向钢筋 在节 点核 心 区 内 锚 固 长度 不 足 ， 容 易 引 起 锚 固失效 ， 损 害节 点 的受 力 性能 ， 特别 是地 震作 用下 的 抗震 性 能 。为避 免 上述 现象 出现 ， 规 定 梁 的最 小 高 度 ， 即节点高度不能太小。故务必遵守此条规定。 ( 2 ) 异形柱规程 第 6 2 3条规定 ， 异形柱 在 同一截面内， 受力钢筋宜采用相 同直径 ， 其直径不应 小于 1 4 m m， 且不应 大于 2 5 mm。这 是 因为 异形 柱 肢 厚有限， 当纵向受力钢筋太大( 2 5 mm) ， 会造成粘 结强度不足及节点核心区钢筋设置的困难， 但是纵向 受力 钢筋直径 太小时 (14 5， 而异形柱 的 c d大部分仅为 2 0左右 ， 根据 变形钢筋粘结锚 固强度公式分析对 比可知 ， 后者的 粘结 能力 约 为前 者 的 0 7 。为 此 ， 抗 震设 计 时 ， 梁 纵 向钢筋直径不 宜大 于该方 向柱截 面高 度 的 1 3 0 。 由于粘结锚固强度随着混凝土强度的提高而提高， 所 以当混凝土的强度等级为 c 4 0 及以上时可取 1 2 5 。 3工 程 实 例 3 1 工 程 概 况 五常西溪庭 院为多层异形柱框架结构住宅 ， 共 一 1+ 6层 (一1 为半地下 自行车库 ) ， 项 目位于杭州 市余杭区五常街道荆 山石岭脚 。建筑工程抗震设防 类别为丙类 ， 建筑结构安全等级为二级 ， 所在地区的 抗震 设 防烈度 为 6度 ， 设计 基本 地震 加速 度 0 0 5 g ， 设计 地 震 分 组 ： 第 一 组 ； 场 地 类 别 ： 类 ； 特 征 周 期 =0 3 5 s ， 异形柱框架结构抗震等级为四级， 见图 1 。 9 0 0 I 2 7 00 2 l 0 o 2 6 0 0 2 l 0 0 2 7 00 I9 0 0 9 O 0 【 2 7 0 0 2 1 o 0 2 6 0 0 2 l 0 0 2 7 o o 9 0 0 苫 厂 1 广 一 门 广 1 r 1 - _ 詈 一 _ 哥 I 8 i l 哥 8 n n 8 。 血 c J L一 n n l I J I 】 JI I _- _ 善 。 i 一 几 。 i 一 r 量 量 I I J I I _ _ J 篁 N 8 f l 。 4 1 8 N 叶 e i J N ! 寸 8 IL _ J l ， _ I - I 暑 、。 l l _ I _ 3 5 00 3 5 0 0 3 5 0 0 3 5 0 o 3 5 00 ； 3 5 0 0 3 5 0 0 3 5 00 2 8 0 0 0 图 1异形柱框架结构 平面布 置图 3 2异形 柱框 架 结构 受 力分析 ( 1 ) 梁宽与异形 截面柱肢宽度相 同时 ， 楼 盖的 竖 向荷载是从柱肢端 部传至柱子上 去的。对 L形 截面柱 ， 其截面形心与柱肢中轴线不重合 ， 柱子为双 向偏心 受压 构 件 。 当水 平 荷 载 作用 时 ， 水 平 力也 是 从框架梁传 至柱肢 中轴线上 ， 使 柱产生扭转 力矩。 当柱肢较长时( 肢长与肢宽之 比大于 4) ， 应按 开 口 薄壁杆件分析其受力状态 ， 在柱肢轴线 不通过柱截 面弯曲中心的情况下 ， 由弯曲扭转力矩的作用 ， 柱截 面产生 扇性 剪应 力及 扇性 垂 直 应 力 ( 翘 曲 应 力 ) ， 扇 性剪应力通常很小 ， 可以忽略不计 ； 而扇性垂直应力 则相对较大， 需要考虑， 若达 到很 大的值时 ， 按平截 面假 定 去 分 析 柱 面应 力 可 能 会 有 一 定 的误 差 。 因 此 ， 异形 截 面柱 的截 面 应 力 要 比一 般矩 形 截 面柱 复 杂得多 ， 若用精确方法计算 ， 计算工作量十分大。 ( 2 ) 在图中可见有“ 一” 形异形柱 ， 工程 中“ 一 ” 形异形柱不提倡使用 ， 但在有些工程上缺了还不行， 没办法可用扁平柱 ， 其计算按矩形柱方法计算 ， 截面 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 宜按抗震规范 6 3 6条要求处理 。 ( 3 ) 地震力 系数放大 ， 自振 周期折减。因用异 形柱导致结构刚度下降 ， 使得地震力减小 ， 应采用地 震力放大系数来适 当地增加地震力。计算各振型地 震影响系数所采用 的结构 自振周期 ， 应考虑非承重 填 充墙 体对结 构整 体刚 度 的影响 予 以折减 。折 减系 数和抗震规范 、 高层规程是不同的， 框架结构取 0 6 0 7 5 ； 框 架 一剪力 墙取 0 7 0 8 5 。 ( 4 ) 楼梯间和开大洞 口区域 的加强处理 ， 加强 楼梯 间和开大洞 口区域周边梁 、 板 的刚度( 高度、 厚 度) ， 增强结构的整体性 ； 加强楼梯间和开大洞 口区 域周边梁 、 板的配筋 ， 提高其承载能力 ， 改善结构延 性 。 同时在楼 梯 间和开 大洞 口区域角 部集 中配 置斜 向钢筋 ， 防止洞口角部因应力集中而开裂。 ( 5 ) 加 强处 理 角 部 L形 异 形 柱 ， 箍 筋 宜 全 段 加 密 ， 肢长宜适当加长 ， 纵 向受力钢筋宜加强 ， 这样对 结构整体抗扭有较大的帮助。 ( 6 ) z形柱 的处理 ， z形柱是 由两个 L形柱组成 的。在结构计算 时可以按两个 L形柱进行 内力及 配筋计算。因为 z形柱受力 较大时易在 中间肢劈 开 ， 劈开后 ( 极 限状态 ) 其受力接近 于两个 L形柱， 故按两个 L形柱处理较为合理。 4 结 语 随着我国国民经济的发展和城市居民生活水平 的提高， 人们对房屋建筑物的使用功 能和安全性 提 出了越来越高的要求。钢筋混凝土异形柱结构以其 不出现柱楞 ， 增加有效面积 ， 轻型节能等特点 ， 符 合 我国墙体改革方 向受到了广泛的应用。异形柱作为 一 种新型结构形式 ， 与一般的矩形柱结构虽存在着 共性 ， 却又有着各 自的特性， 在设计过程中应根据异 形柱的受力特点， 充分 了解其破坏机理 ， 选用合理的 柱网布置形式、 合理的选形 。计算分析及构造措施 等方面准确 、 优质 、 高效 的进行 ， 正确 掌握计算机分 析方法加上人为分析 ， 合理配置截面钢筋 ， 确保设计 质量和结构安全 ， 使结构具有可靠的安全保证。从 而使这种新型的结构形式得到更好的发展。 参 考 文 献 1 严士超 ， 康谷贻 ， 王依 群 ， 等 J G J 1 4 9 - 2 0 0 6混凝 土异形柱 结构 技术规 程 S 北京 ： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 6 。 2 李 明顺 ， 徐有邻 ， 白生翔 ， 等 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2混 凝土结构设 计 规范 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 3 徐正忠 ， 王 亚勇 ， 王彦 深 ， 等 G B 5 0 0 1 1 _ 2 0 0 1 ( 2 0 0 8版 ) 建筑 抗 震设计规范 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 ( 上接 第 2 O页) 表 3 可动屋盖支座变形 如果起 吊点在支座处 ， 吊装过程可以释放可动屋 盖在钢结构 自重下的变形， 减少可动屋盖在使用过程 中的受荷变形， 但施工实际操作较困难， 不能采用 。 4 结 论 本文通过对开合结构 已有资料的分析 ， 归纳 了 活动部分的一般设计准则 ， 针对黄龙体育中心开合 式体育馆提 出了一种屋盖系统 ， 通过计算分析验证 该屋盖系统是一种合理的可动屋盖体系 ， 并对其进 行深入的计算分析 ， 采用弹簧支座真实的模拟 了可 动屋盖受力特点 ， 给出 了该结构在各种荷载下的支 座 变形 ， 验证 了活 动部 分运 行 的安全 性 。 同时配合施工过程 ， 对其特殊施工工艺进行了 分析计算。通过有限元计算分析 了先安装 固定屋盖 钢结构 ， 然后高空张拉拉索这种施工方法的可行性 ； 采用“ 倒拆法” 确定 了施工张拉力 ， 并对现场张拉 的 施工过程进行 了拉索拉力和上弦变形的双 向控制。 跟踪施工全过程的轨道变形 ， 分析了使用状况下 ， 可 动屋盖开合操作的安全性。 目前 ， 该网球馆已经投入使用 ， 完全达到了设计 目标 。 参 考 文 献 1 K a z u o I s h i i Me mb r a n e De s i g n s a n d S t r u c t u r e s i n t h e Wo r l d M T o k y o J p a n：S h i n k e n c h i k u s h a p u b l i s h i n g 1 9 9 9： 3 54 7 2 张凤文 ， 刘 锡良 开合屋 盖结构行走机构的应用研 究 J 建筑 结构 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 )： 3 23 7 3 张凤文 ， 刘锡 良 开合屋盖结构 的发展及开合机理 研究 J 钢 结构 ， 2 0 0 1 ， 1 6 ( 4 ) ： 1 6 4 关 富玲 ， 余永辉 开合式屋 面结构综 述 J 钢结 构与建筑业 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 2 ) ： 2 02 6 5 程嫒 ， 余永辉 ， 吴开成 ， 等 开合屋盖结构 设计简介 J 建筑 结构学报 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 4 0 4 8 6 关富玲 ， 杨治 ， 程嫒 ， 等 杭州黄龙体育 中心网球馆开合屋 面设计 J 工程设计 学报 。 2 0 0 5 ， 1 2 ( 2 ) ： 2 53 4 7 吴小平 ， 沈林敏 大 型网壳结构 安装施工 技术 J 建 筑技术 ， 2 0 0 2， 3 3 ( 8 ) ： 6 0 1 6 0 2