異形柱結構設計分析論文
一、異形柱的概念
異形柱是指截面肢厚小于300mm的L、T、+形的截面柱。建筑界所講的“異形柱”,特點是截面肢薄,由此引起構件性能與矩形柱性能的包括受力、變形、構造做法等一系列差異。制定規程主要是針對肢厚200、250mm的異形柱。其形式與短墻肢相似,若肢較長就稱短墻肢,很難劃分兩者的界線。
其中“Z”、“一”形柱未列入規程的原因如下。
第一,“Z”形柱在實際工程中,應用很多。“Z”形截面柱與“一”形截面柱類似,即兩主軸方向抗彎能力相差甚大,多數情況下是Z形的上下兩水平肢受與其方向一致的力,即由兩根梁傳來的拉力或壓力,這只有通過中間肢的受扭來傳遞,后果只能是中間肢的斷裂。“Z”形異形柱目前研究的不是很多,但在實際工程還是有用的。如果結構中只是個別柱為Z形,可以采用加強構造的設計。
第二,“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風荷載作用下還是在地震作用下結構中的柱一般都是受到兩個方向的彎矩同時作用,其受力后的`表現可想而知,它在雙向剪力作用下性能也不好,由GB50010柱雙向受剪承載力計算公式可見,柱截面相鄰兩邊長相差越多,其斜向受剪承載力越低。
二、底層減柱的限制
第一,落地的框架柱應連續貫通房屋,框架柱應連續貫通轉換層以上的所有樓層。底部抽柱數不宜超過轉換層相鄰上部樓層框架柱總數的30%,轉換層下部結構的框架柱不應采用異形柱。底部抽柱帶轉換層的異形柱結構可用于非抗震設計和6度、7度抗震設計的房屋建筑。
第二,帶轉換層的異形柱結構在地面以上大空間的層數,非抗震設計不宜超過3層;抗震設計不宜超過2層;底部抽柱帶轉換層異形柱結構適用的房屋最大高度不少于10%,且框架結構不應超過6層。框架-剪力墻結構,非抗震設計不應超過12層,抗震設計不應超過10層。
第三,不落地的框架柱應直接落在轉換層主結構上。托柱梁應雙向布置,可雙向均為框架梁,或一方向為框架梁,另一方向為托柱次梁;轉換層上部異形柱向底部框架柱轉換時,下部框架柱截面的外輪廓尺寸不宜小于上部異形柱截面外輪廓尺寸。轉換層上部異形柱截面形心與下部框架柱截面形心宜重合,當不重合時應考慮偏心的影響;
第四,轉換層上部結構與下部結構的側向剛度比宜接近1。轉換層上、下部結構側向剛度比可按國家行業標準《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2002第E.0.2條的規定計算。規程不允許次梁轉換(二次轉換)。
第五,轉換層及下部結構的混凝土強度等級不應低于C30;轉換層樓面應采用現澆樓板,樓板的厚度不應小于150mm,且應雙層雙向配筋,每層每方向的配筋率不宜小于0.25%。樓板鋼筋應錨固在邊梁或墻體內;
第六,托柱框架梁的截面寬度,不應小于梁寬度方向被托異形柱截面的肢高或一般框架柱的截面高度;不宜大于托柱框架柱相應方向的截面寬度。托柱框架梁的截面高度不宜小于托柱框架梁計算跨度的1/8;當雙向均為托柱框架時,不宜小于短跨框架梁計算跨度的1/8。托柱次梁應垂直于托柱框架梁方向布置,梁的寬度不應小于400mm,其中心線應與同方向被托異形柱截面肢厚或一般框架柱截面的中心線重合。
第七,注解:直接承托不落地柱的框架稱托柱框架,直接承托不落地柱的框架梁稱托柱框架梁,直接承托不落地柱的非框架梁稱托柱次梁。
三、應用范圍及特點
異形柱應用在7度設防以下。在異形柱結構中使用扁平柱是可以的,建議最小厚度取250,梁縱筋用3級鋼,直徑不超過12。各項驗算同普通框架柱,構造和軸壓比建議控制更嚴格一些。因“一”形異形柱不提倡用,在某工程上缺了還不行,沒辦法可用扁平柱,其計算按矩形柱方法計算。
地震力系數放大,自振周期折減。因用異形柱導致剛度下降,使得地震力減小,應采用地震力放大系數來適當地增加地震力。計算各振型地震影響系數所采用的結構自振周期,應考慮非承重填充墻體對結構整體剛度的影響予以折減。
四、截面定義輸入
異形柱截面有T形、十形、L形,對一字形、Z字形規程未列入應用,在PMCAD截面定義中輸入T形按2截面工形輸入,不用的地方輸0;十形按6截面十形輸入;L形用5截面槽鋼形輸入。其寬均為240,肢長為600。輸入軸線節點處應注意偏心材料應定為砼。為減少輸入偏心轉角的麻煩,在定義時要多定幾個不同的截面類型。
五、配筋計算及施工圖畫法
配筋計算如下:采用雙偏壓、拉計算,箍筋采用雙剪箍。異形柱肢長與肢寬比≤4時,否則應考慮梁的剛域。這時梁柱重疊部分,按剛域參數考慮。
施工圖畫法如下:a全樓柱鋼筋歸并;b平面柱大樣畫法畫異形柱施工圖,應注意箍筋加密與普通柱相同;柱分布筋之間設拉筋,其直徑同箍筋,間距是箍筋的2倍;橫向肢、豎向肢分別按計算配置一個矩形箍筋,并分別滿足X、Y向計算箍筋面積的要求;c豎向筋要滿足最小間距要求,采用對稱配筋,一排排不下,程序自動放兩排;按固定鋼筋和分布筋的構造要求分別配制固定鋼筋和分布筋。d在核心區箍筋相交處,若無主筋時,應設豎向架立筋如T形柱內側,架立筋為構造筋,隱含直徑D=14mm。
六、其它
頂層托斜層頂的(角)柱,規程對此沒有涉及,它所受軸力、彎矩均不大,柱本身強度不會成問題,關鍵是房屋頂部結構整體性能,設計人員自己把握抗震設計的異形柱結構不應有錯層,原因是免形成短柱。這里的錯層是指規范和高規中的“較大的錯層”。抗震設計時,框架柱的凈高與柱截面長邊之比不宜小于4,不應小于3。一般樓梯處易出現短柱,為此在樓梯間兩側布置剪力墻其它地方以異型柱為主。異形柱在斜向水平荷載作用下,其受剪承載力的平面圖形為梅花狀,等肢情況下異形截面柱受剪承載力在各象限圖形是凸的。
在斜向剪力下,如果按X、Y兩個分量分別配筋滿足要求的話,其斜向承載力也能滿足要求。由以上原因,異形柱規程規定異形柱的斜截面承載力可以分X、Y向分別進行設計,不等肢情況時,該圖形的凸出程度要差一些,兩肢長度相差越大,凸出程度越差,一形柱就是個扁橢圓。所以,這也是規程規定異形柱截面任一肢肢長不得小于500mm的一個原因。
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