异形柱基础

异形柱基础（精选四篇）

异形柱基础 篇1

关键词：异形柱,应用,意义

1 异形柱应用的意义

随着国家行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》颁布, 砼异形柱结构将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来, 为用户提供了理想的居住环境, 受到房地产开发商和广大用户的欢迎, 由于其符合室内布置的要求, 且与墙体 (指填充墙) 连接良好, 在我国许多省市的住宅建筑已有广泛的实际应用, 甚至在8度地震设防区得到一定程度的应用。

2 扁平柱的使用

在异形柱结构中使用扁平柱是可以的, 建议最小厚度取250, 梁纵筋用3级钢, 直径不超过12。各项验算同普通框架柱, 构造和轴压比建议控制更严格一些。因“一”形异形柱不提倡用, 在某工程上缺了还不行, 没办法可用扁平柱, 其计算按矩形柱方法计算。

3 异形柱限制砼强度等级≥C25和≤C50原因

由于异形柱截面尺寸薄, 砼强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求;C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少, 还不足以行成编制规程条文的基础, 所以这次规程未列入。

4 底层减柱的限制

4.1 落地的框架柱应连续贯通房屋全高;

不落地的框架柱应连续贯通转换层以上的所有楼层。底部抽柱数不宜超过转换层相邻上部楼层框架柱总数的30%。转换层下部结构的框架柱不应采用异形柱;底部抽柱带转换层的异形柱结构可用于非抗震设计和6度、7度 (0.10g) 抗震设计的房屋建筑。

4.2 底部抽柱, 带转换层的异形柱结构在地面以上大空间的层数:

非抗震设计不宜超过3层;抗震设计不宜超过2层;底部抽柱带转换层异形柱结构适用的房屋最大高度应按本规程第3.1.2条规定的限值降低不少于10%, 且框架结构不应超过6层。框架—剪力墙结构, 非抗震设计不应超过12层, 抗震设计不应超过10层。

4.3 不落地的框架柱应直接落在转换层主结构上。

托柱梁应双向布置, 可双向均为框架梁, 或一方向为框架梁, 另一方向为托柱次梁;转换层上部异形柱向底部框架柱转换时, 下部框架柱截面的外轮廓尺寸不宜小于上部异形柱截面外轮廓尺寸。转换层上部异形柱截面形心与下部框架柱截面形心宜重合, 当不重合时应考虑偏心的影响。

4.4 转换层及下部结构的混凝土强度等级不应低于C30;

转换层楼面应采用现浇楼板, 楼板的厚度不应小于150mm, 且应双层双向配筋, 每层每方向的配筋率不宜小于0.25%。楼板钢筋应锚固在边梁或墙体内。

4.5 转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比宜接近1。

转换层上、下部结构侧向刚度比可按国家行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第E.0.2条的规定计算。规程不允许次梁转换 (二次转换) 。

4.6 托柱框架梁的截面宽度, 不应小于梁

宽度方向被托异形柱截面的肢高 (就是柱全由梁宽包住) 或一般框架柱的截面高度;不宜大于托柱框架柱相应方向的截面宽度。托柱框架梁的截面高度不宜小于托柱框架梁计算跨度的1/8;当双向均为托柱框架时, 不宜小于短跨框架梁计算跨度的1/8。托柱次梁应垂直于托柱框架梁方向布置, 梁的宽度不应小于400mm, 其中心线应与同方向被托异形柱截面肢厚或一般框架柱截面的中心线重合。

4.7 注解:

直接承托不落地柱的框架称托柱框架, 直接承托不落地柱的框架梁称托柱框架梁, 直接承托不落地柱的非框架梁称托柱次梁。

5 应用范围

异形柱应用在7度设防以下。

6 地震力系数放大

因用异形柱导致刚度下降, 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。

7 自振周期折减

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。

8 截面定义输入

异形柱截面有T形、十形、L形, 对一字形、Z字形规程未列入应用, 在PMCAD截面定义中输入T形按2截面工形输入, 不用的地方输0;十形按6截面十形输入 (该正正该负负) ;L形用5截面槽钢形输入 (定义某肢长为0) 。其宽均为240, 肢长为600。输入轴线节点处应注意偏心 (以竖向肢中点来定位) 材料应定为砼。为减少输入偏心转角的麻烦, 在定义时要多定几个不同的截面类型。

9 配筋计算

配筋计算:采用双偏压、拉计算, (角柱程序在编制过程中就默认采用双偏压来计算, 即使在选择系数时选单偏压计算模式, 程序仍然按照双偏压计算) 箍筋采用双剪箍。异形柱肢长与肢宽比≤4时 (梁的刚度计算跨度以柱形心为准, 这时在‘参数修正’菜单中选择不考虑梁柱重叠影响, 即不考虑梁的刚域) , 否则应考虑梁的刚域 (梁的刚度计算跨度以柱净跨为准, 这样梁的刚度计算长度就短, 刚度就大) 。这时梁柱重叠部分, 按刚域参数考虑。

1 0 施工图画法

a.全楼柱钢筋归并。b.平面柱大样画法画异形柱施工图, 应注意箍筋加密与普通柱相同;柱分布筋之间设拉筋, 其直径同箍筋, 间距是箍筋的两倍;横向肢、竖向肢分别按计算配置一个矩形箍筋, 并分别满足X、Y向计算箍筋面积的要求。c.竖向筋要满足最小间距要求, 采用对称配筋, 一排排不下, 程序自动放两排;按固定钢筋 (L形角部的角筋双向共用) 和分布筋 (竖向架立筋@≤200) 的构造要求分别配制固定钢筋和分布筋。d.在核心区箍筋相交处, 若无主筋时, 应设竖向架立筋如T形柱内侧, 架立筋为构造筋, 隐含直径

1 1 其它

顶层托斜层顶的 (角) 柱, 规程对此没有涉及, 它所受轴力、弯矩均不大, 柱本身强度不会成问题, 关键是房屋顶部结构整体性能, 设计人员自己把握抗震设计的异形柱结构不应有错层, 原因是免形成短柱。较小的错层 (梁高范围内楼板错开) 不算“错层”, 即这里的错层是指规范和高规中的“较大的错层”。抗震设计时, 框架柱的净高与柱截面长边之比不宜小于4, 不应小于3。一般楼梯处易出现短柱, 为此在楼梯间两侧布置剪力墙其它地方还是以异型柱为主。异形柱在斜向水平荷载作用下, 其受剪承载力的平面图形为梅花状, 等肢情况下 (即两肢长度、宽度相同) 异形截面柱受剪承载力在各象限图形是凸的。在斜向剪力作用下, 如果按X、Y两个分量分别配筋满足要求的话, 其斜向承载力也能满足要求。由以上原因, 异形柱规程规定异形柱的斜截面承载力可以分X、Y向分别进行设计。不等肢情况时, 该图形的凸出程度要差一些, 两肢长度相差越大, 凸出程度越差, 一形柱就是个扁椭圆。所以, 这也是规程规定异形柱截面任一肢肢长不得小于500mm的一个原因。

1 2 总结

浅谈异形柱设计要点 篇2

《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ140-2006中异形柱指截面几何形状为L、T、+形且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。相对于正方形和矩形柱而言是异型的柱子。异形柱肢厚一般为200、250mm。其形式与短墙肢相似，若肢较长就称短墙肢。

2.异形柱结构体系

异形柱结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架-剪力墙结构体系。

3.异形柱结构特点

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。大量的试验资料和理论分析指出，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。

4.异形柱结构适用条件和应用意义

4.2应用意义

钢筋混凝土异形柱结构将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，为用户提供了理想的居住环境，受到房地产开发商和广大用户的欢迎，由于其符合室内布置的要求，且与墙体（指填充墙）连接良好，在我国许多省市的住宅建筑已有广泛的实际应用。异形柱结构属于框架-轻墙（填充墙、隔墙）结构体系，采用轻质高效的墙体材料，不仅改善建筑的保温、隔热性能，节约能源消耗，而且减轻结构自重，减小地震作用，其综合效益值得重视。

5.异形柱结构的平面布置

（1）在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。

（2）结构平面布置应减小扭转效应的不利影响。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分别不宜大于该楼层两端相应平均值的1.2倍，不应大于该楼层两端相应平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。

7.异形柱结构应按下列原则考虑地震作用

8.采用的地震作用计算方法

异形柱结构地震作用计算宜采用振型分解反应谱法，平面不规则结构的扭转影响显著，应采用扭转耦联振型分解反应谱法。

9.自振周期折减

框架结构中由于非承重填充墙体的存在，会增大结构整体刚度，减小结构自振周期，从而产生增大结构地震作用的影响。所以计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期时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ψ应根据采用的轻质填充墙数量的多少可取0.6～0.85。

10.节点核心区

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。为确保安全，对抗震设计的二、三、四级抗震等级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，尚可采取各类有效措施，包括例如梁端增设支托或水平加腋等构造措施，以提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。对于纵横向框架共同交汇的节点，可以按各自方向分别进行节点核心区受剪承载力计算。

11.异形柱结构构造做法

（1）异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于4。考虑到节点核心区钢筋设置及刚进的锚固，所以肢厚不应小于200mm（也不应大于300mm），肢高不应小于500mm。 抗震设计时宜采用等肢异形柱。

（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）Lb确定（Lb为计算跨度），且不应小于400mm.梁的截面宽度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。梁的截面高度太小会使柱纵向钢筋在节点核心区锚固长度不足。

（3）异形柱的混凝土强度等级不小于C25和不大于C50，这是由于异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于C25，可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等级高于C50时的异形柱构件及结构科学研究 相对较少，所以规程未列入。

（4）异形柱截面尺寸较小，为方便施工时钢筋的布置及混凝土浇筑，宜优先采用焊接。

（5）异形柱截面上受力纵筋的位置如下图所示。试验和模拟计算表明这些位置上的纵筋均发挥大的作用，特别是当轴压较大时处于各肢内折角处的纵筋的作用不容忽视，一定要作为受力筋处理。

12.异形柱结构设计时应注意的问题

12.1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，按砼设计规范计算，特别是在框架——剪力墙结构中，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。

12.2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。由有关试验结构分析，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《混凝土异形柱结构技术规程》中，分别给出了框架结构、框架-剪力墙结构不同截面形式下轴压比限值要求。由天津大学土木系对异形柱延性资料可知，影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平侧移下，其延性性能也有较大差异。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。

12.3截面定义输入

异形柱截面有T形、十形、L形，对一字形、Z字形规程未列入应用，在PMCAD截面定义中输入T形按2截面工形输入，不用的地方输0；十形按6截面十形输入（该正正该负负）；L形用5截面槽钢形输入（定义某肢长为0）。其宽均为240，肢长为600。输入轴线节点处应注意偏心（以竖向肢中点来定位）材料应定为砼。为减少输入偏心转角的麻烦，在定义时要多定几个不同的截面类型。

12.4配筋计算

采用双偏压、拉计算，（角柱程序在编制过程中就默认采用双偏压来计算，即使你在选择系数时选的单偏压计算模式，程序仍然按照双偏压计算）箍筋采用双剪箍。异形柱肢长与肢宽比≤4时（梁的刚度计算跨度以柱形心为准，这时在‘参数修正菜单中选择不考虑梁柱重叠影响，即不考虑梁的刚域），否则应考虑梁的刚域（梁的刚度计算跨度以柱净跨为准，这样梁的刚度计算长度就短，刚度就大）。这时梁柱重叠部分，按刚域参数考虑。

12.5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。

12.6扁平柱的使用

在异形柱结构中使用扁平柱是可以的，建议最小厚度取250，梁纵筋用3级钢，直径不超过12。各项验算同普通框架柱，构造和轴压比建议控制更严格一些。因“一”形异形柱不提倡用，在许多工程上还不得不用，没办法可用扁平柱，其计算按矩形柱方法计算。

12.7程序的应用

异形柱框架设计要点 篇3

1 异形柱结构的特点

异形柱的截面需要根据建筑的实际情况来选取, 建筑物在设计初期就要对平面有一个大致的布置, 对异形柱的放置有一个初步的预定。要注意在设计过程中要避免与建筑产生矛盾、布置分布均匀、满足荷载和抗测力等。框架梁的轴线要和柱肢轴线相重合, 这样才能使连接的梁放置在隔墙的竖向平面内, 可以避免框架产生附加扭转应力。

对于住宅建筑的异形柱框架有一定的要求, 一般高度以600mm以下为宜, 跨度在5.0~6.0m之间。因为如果框架梁过高, 会影响使用, 跨度太大, 又容易导致施工困难。异形柱的截面样式很多, 规格尺寸也不一样, 在选取的时候就要求综合考虑。如果选择模板的种类和规格越大, 经济效益就越不好。单从设计方面看, L形和T形的截面柱, 都有一个交点, 称为剪力中心, 框架梁可以顺着顺柱肢方向布置, 在框架受力的时候, 通过剪刀中心作用, 构件只产生弯曲而不产生扭转。十字形的截面柱因为钢筋交叉太密, 施工困难, 所以应用较少[2]。

2 异形柱结构的设计与应用

2.1 异形柱和异形柱框架结构的定义

异形柱 (speciallyshapedcolumn) 是异形截面柱的简称。异形截面则是指异形柱截面的几何形状。传统的柱截面是矩形截面, 如今为了满足一切特殊的建筑需求, 异形柱才逐渐兴起。我们目前常用的异形柱的截面主要有L形、T形和十字形, 截面各肢的肢高肢厚比不大于4。在建筑中的一些转角部位, 通常采用L形异形柱, 纵横墙的交接处主要采用T形和十字形。

异形柱框架结构则是指由异形柱组成框架, 然后再用填充物进行填充。根据建筑物的实际需要, 可全部采用框架柱, 也可以部分使用。

2.2 异形柱和矩形柱在框架结构设计中的差异

在现代的建筑工程中, 异形柱框架结构和矩形柱框架结构具有很大的差异, 主要总结为以下三点:第一, 在高度比较高, 高低跨度比较大的房屋建筑中, 一般采用异形柱框架结构。第二, 相对于矩形柱框架架构而言, 异形柱框架结构弹性层间的位移角最大限度的要求显得更加严格。第三, 异形柱的缺点就是抗震较差, 所以在设计和施工的过程中都要考虑抗震问题。结构框架的房屋在设计和施工时要根据实际情况采用不同的抗震等级。异形柱框架结构则需要采用更加严格的抗震等级。

3 异形柱结构设计的问题探讨

3.1 注意基础设计的特殊性

我们都已经熟悉了普通框架结构的基础设计, 其实, 异形柱框架结构的基础设计非常相似, 但也有一定的特殊性。它们之间的相似性体现在都要注意基础形心与异型柱形心重合, 或者要注意与上部荷载的重心重合。这样可以有效的避免偏心受压。它们的不同, 也就是异形柱框架结构基础设计的特殊性则表现在以下两点:第一, 对于柱下独立承台或者独立基础, 单柱时需要先计算形心位置, 再把基础形心与柱的形心进行重合, 才能确定承台的形心位置, 以利于布桩;第二, 对于双柱或多柱承台时, 同样要先算出形心位置, 然后再算出荷载的重心作用位置, 荷载的重心作用位置可以通过各柱的柱底内力计算得出, 最终也是以荷载的重心确定承台的形心, 然后进行布桩。

3.2 考虑适当的抗扭转措施

现如今, 建筑工程的实际工程量相比理论有一定的差距, 随着建筑功能布置的不断发展更新, 多样化、新潮化的特点使得异型框架柱没办法实现实际所需的要求。比如像厨房、卫生间的朝向问题会使得某侧柱网布置较密, 如此很容易导致刚度中心的偏移, 进而结构难以对称, 由于偏向形成的扭转往往是异型框架体系中的主要矛盾之一。因此, 在设计当中, 应该采取一些抗扭转的措施, 以完善异型柱框架结构的设计要求。曾经有人做实验证明:在材料用量增加不多的前提下, 在恰当的位置添加人字型斜支撑结构, 可以显著提高异形柱框架结构的承载力和刚度。所以, 当刚度中心和承载中心不一致时, 在地震来临时, 结构就会产生不同程度的扭转, 如此, 可以使用以上所描述的斜支撑结构来提高异型柱框架结构的抗扭转性能。

3.3 加强对柱刚度的处理

在异形柱框架结构中, 经常会遇到错层和跃层, 无法满足强柱弱梁的概念设计要求, 因为局部梁柱线刚度比一般情况的梁柱线刚度比大很多。要想较好的改善这种现象, 就必须加强对柱刚度的处理。通常有以下3种方法:

1) 按照一般情况下, 多层次框架结构尽量纵横向刚接, 但梁与柱的连接处还是按铰接处理, 这样可以有效减少梁端弯矩对柱的不利影响。2) 为了提高柱的刚度可以适当加大错、跃层位置柱的截面尺寸, 不过这样有可能造成少量的短柱。3) 要保持柱肢纵筋的间距在200ram以内, 如果超过了要配置构造纵筋 (d≥14ram) 来增强柱肢的稳定性。

3.4 异形柱框架的防震

传统的结构抗震设计遵循的是小震不坏, 中震可修, 大震不倒的原则, 合理的设计异形柱的结构可以起到很好的抗震效果, 在历代人多年的的研究和建筑的不断发展, 人们基本掌握了结构抗震设计方法, 并能够达到预定的抗震设防目标, 只是, 在近年来历次城市大地震中土木工程结构损伤破坏带来的损失依然巨大, 使人们深刻认识到目前我们建筑的防震效果远远没有达到我们想要的要求。当今有效的抗震途径是给结构安装减震装置, 将一部分地震能量分配到减震装置, 从而使主体结构避免进入非弹性状态, 可以保护其在强震中不被破坏。对异形柱通过详细的分析计算来配筋, 合理利用其内力, 也对防震起着关键的作用。同时也要注重分析墙体的受压承载力。这些都有助于提高异形柱框架的防震性能。

由于传统的框架结构制约了人们的屋内空间规划, 所以已经无法满足人们对房屋的室内布局, 因为异形柱框架结构符合现代室内布置要求, 所以受到了建筑商和广大住户的青睐。通过对异形柱的相关特点的分析, 可以有效的掌握异形柱框架结构的设计要点。只有优秀的设计才能保障科学安全的施工。相信异形柱框架结构在将来一定会有更大的发展空间。

参考文献

[1]黄启云.探析异形柱框架结构的设计要点[J].现代装饰 (理论) , 2013.

异形柱框架抗震推倒分析 篇4

随着人们生活水平步入小康,对居住空间的要求有了很大的改变。人们不但要求得到尽量多的空间及提高空间利用的有效率,对居住空间的自由组织也要能表现个性化,而且在空间的舒适性、安全性、美观及经济上都提出很高的要求。这样住宅结构中就出现了异形柱框架结构新体系。这类结构将建筑美观和使用功能的灵活性有机的结合在一起,为用户提供了理想的居住环境。但是,从整个结构体系的抗震能力这个角度出发,对异形柱结构体系抗震问题开展理论研究还很不够,为深入探讨异形柱框架结构的抗震性能,本文以合肥某住宅小区的六层住宅为例进行了抗震推倒分析[1]。

近几年来,国内外学者相继提出了在抗震设计中采用弹塑性静力分析方法的观点,水平地震作用下的弹塑性静力分析方法又称为推倒分析(Push-over analysis)[2]。推倒分析主要用于确定结构的非弹性效应、局部破坏机制和整体倒塌的形成方式。该方法既保证结构分析的结果具有一定的代表性,又相对简便易行,设计者能够相对主动地把握结构的抗侧能力、所需位移延性、塑性铰出现位置等。因此在工程中得到了不同程度的应用。各国研究者也都在建立这种抗震设计分析方法并编制相应的计算机程序[3]。

结构推倒分析中,在每一结构构件根据其尺寸、配筋、材料性能及受力特征确定出它们的力-变形弹塑性关系之后,在结构上施加某种分布的水平力,并逐渐增加使结构构件依次进入塑性阶段。直到结构的耗能机制形成或者在耗能机制形成过程中某一塑性铰达到其临界极限状态,或结构达到给定的侧移极限时,才结束结构推倒分析全过程[4]。通过推倒分析,设计人员可以了解结构中每一构件屈服后的变形特征,考虑各构件出铰的先后次序与它们承载力之间的相互关系,以检查是否符合所期望的耗能机制,并发现第一次设计结构的薄弱部位,从而可对原有设计作调整和改进后,增加结构的抗震能力。

1 异形柱框架结构抗震推倒分析

在上述结构推倒分析概念的基础上,本文利用大型有限元分析软件ADINA8.0对一榀六层异形柱框架进行了推倒分析。

1.1 基本假定

在用ADINA8.0对框架进行分析是基于以下两个假定:首先,假定结构的地震反应与某一等效的单自由度体系相关,这就意味着结构的地震反应仅由第一振型控制;其次,结构沿高度的变形形状可由形状向量{ϕ}表示,即变形形状不变[5]。

1.2 基本步骤

利用ADINA8.0对异形柱框架进行推倒分析的主要步骤是[4]:①首先建立结构模型,并根据每个构件的截面尺寸、材料和实际配筋情况确定其弹塑性力-变形关系,即构件的恢复力模型;②对模型施加结构的各项竖向荷载,此外还根据结构的特点施加某种分布形式的楼层水平力或位移,逐级增加水平荷载或位移;③随着水平荷载或位移的增大,部分杆件进入塑性状态,出现塑性铰,直至塑性铰足够多使结构变为机制或者结构的变形达到限值,停止施加水平荷载或位移,分析结果。

2 算例的选择[1]

如图1所示六层两跨异形柱框架。该住宅结构六层,层高2.9 m,总高18.4 m。Ⅱ类场地,8度设防,近震。混凝土标号均为C25,受力钢筋Ⅱ级,设计强度310 N/mm2,箍筋为I级,设计强度210 N/mm2;另有普通框架一榀,其结构建筑平面、立面及层高与异形柱框架相同,柱网一致,竖向构件布置节点与异形柱框架基本一致。本工程来自合肥某住宅小区。

3 Push-over计算模型的建立

ADINA8.0模型单元的重要特点是单元算法与材料本构相互独立,本文选择和划分单元主要依据模型的几何形态及其具备的功能,这样选择划分的单元简单明了。

在建立框架的计算模型时,框架梁柱采用了ADINA中的三维梁(BEAM)单元,梁单元材性定义选用了其中通过输入梁柱截面的轴力-轴应变(N-ε)、扭矩-转角(T-θ)、弯矩-曲率(M-ϕ)曲线来描述的方法,M-ϕ曲线需要进行截面性能的全过程分析得到。这样处理的好处是,输入参数时可不必再考虑梁柱截面实际形状尺寸、面积及材料组成,使参数输入大大简化,而且,在定义单元时,可将钢筋混凝土复合材料定义划分为一种单元,避免了同时定义划分两种材料单元之繁,从而使模型单元划分大为简化。在建立计算模型的时候要注意以下几点。

(1)在进行框架抗震设计时,必须遵循“强柱弱梁、更强节点”的设计原则,所以认为框架结构中的节点不发生破坏。为此,在杆的两端各考虑一段刚域,参照壁式框架中刚臂长度的取值方法[2]。

(2)计算截面的M-ϕ曲线时,采用平截面假定。为保证M-ϕ曲线的准确性,需考虑: ①截面上轴力的影响;②截面中数排钢筋的作用;③钢筋和混凝土的本构关系均采用《混凝土结构设计规范》(GBJ10-1989)中推荐的应力-应变曲线,钢筋可看成理想弹性-塑性体; ④忽略受拉区混凝土的作用,不考虑混凝土的收缩、徐变和温湿度变化引起的内应力和变形;⑤认为钢筋与混凝土之间不发生滑移。弯矩-曲率求解,主要是求得弯矩和曲率的对应关系,因此首先从弯矩或曲率两者之间选定一个作为已知,来确定另一个。由于弯矩-曲率存在着下降段,某些区段的弯矩值对应两个曲率,为了方便起见,可先假定曲率为已知,然后求相应的内力。本文编制了程序计算不同形式截面的弯矩-曲率曲线。其中要注意T形柱M-ϕ曲线的严重不对称性。

(3)考虑二次矩影响,即考虑“P-Δ”效应。

(4)对于模型的水平加载模式,采用基于底部剪力法的倒三角形侧向分布。

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式中,n为结构总层数,hi,hm为结构i,m层距地面的高度;Wi,Wm为结构i,m层的楼层重力荷载代表值。这种方式也称为倒三角形的加载方式[5]。

根据以上要求,建立的计算模型如图2所示。

4 计算结果分析

4.1 承载力分析

算例的底部剪力-顶点位移曲线如图3。从图中可以看出异形柱框架的顶点水平位移比普通框架的仅大6%,异形柱框架的底部剪力比普通框架的仅小5.7%。所以虽然两者的曲线有一定的差异,但在整体上看还是一致的。

4.2 塑性铰分布及发展状况

算例结构的出铰顺序基本为:①底部二～四层的少数梁出铰;②底部数层范围内大量梁出铰;③梁出铰数量、所处阶段进一步发展,并伴随柱根部出铰;④其余楼层也出现柱铰,梁铰进一步发展;⑤薄弱层的梁、柱出铰严重,导致结构破坏。

算例结构的破坏机制不属于典型的“梁端铰+柱根铰”的“梁铰屈服机制”,但属于变形、耗能能力较好的以梁铰为主的“混合铰屈服机制”。

4.3 层间变形分析

图4是两个模型的最终层间位移转角。由图可以看出普通框架是第二层的层间位移转角为最大,往上随着楼层的增加,层间位移转角逐渐减小。异形柱框架是第三层的层间位移转角最大,往上随着楼层的增加,层间位移转角也逐渐减小。从整体上看,两榀框架的层间位移变化规律基本相同,只是最大层间位移出现的楼层略有变化。异形柱框架的层间位移转角比普通框架的要略大,但是,最终位移反应越小,并不表示结构越安全,而是表示结构的变形能力越差,反而可能越不安全。

4.4 轴压比的影响

对轴压比的影响的分析仍选图1的异形柱框架为计算模型,只是使同一框架承受不同的轴压比:算例一,中柱0.4,边柱0.31;算例二,中柱0.75,边柱0.68。

两个承受不同轴压比的框架相比,它们框架的出铰顺序、破坏机制没有大的差别,只是明显可以看到轴压比越大,框架最早出铰的楼层越高:算例一是三层的梁最先出现塑性铰,算例二是四层的梁最先出现塑性铰(见图5)。

算例结构的顶层和薄弱层(第三层)的延性系数分别见表1,可见轴压比对延性的影响是很大的。在增大轴压比后,顶层和薄弱层的延性系数分别减小了15.88%和4.5%;算例一和算例二的结构位移延性系数分别为3.98和3.60,所以结构的延性系数也减小了10.68%,由以上数据可以看出在异形柱框架中要严格控制轴压比以保证足够的延性。

注:表中Δy和Δu的单位为mm。

4.5 配筋率的影响

在前面研究的基础上可以看出,异形柱框架结构体系的二～三层一直是薄弱楼层,因此,为了提高薄弱层的变形能力,增加薄弱层的纵向钢筋配筋率也是一种调整手段。选择图1的异形柱框架模型作为研究对象,保持其它各层的梁柱截面尺寸及配筋形式不变,调整薄弱层的异形柱配筋率,具体的配筋形式调整如表2示。配筋是按照天津市异形柱规程规定,考虑到最小纵筋直径大于14 mm,且配筋率小于3%。

注:表中Δy、Δu的单位为cm。

以上各表中的符号表示如下:Δy、Δu分别为屈服位移和极限位移,μΔ=Δu/Δy为位移延性系数,Δn为第n层的层间位移角,Δ3/Δn为第3层的层间位移角与第n层的层间位移角的比值。

从以上3表中的数据可见:①结构延性变好,二～三层采用带暗柱异形柱后获得了较好的延性,薄弱层(也就是三层)的位移延性系数增长了5%,顶层的位移延性系数也随之增长了2%;算例一的结构的延性系数是3.98,增加配筋后,算例二的结构的延性系数是4.18,结构的位移延性系数也增长了5%;②二～三层增加配筋后,收到了良好的效果。算例二中三层的层间位移角与其它各层的层间位移角的比值明显变小,分别为1.43、1.01、1.05、1.40和2.4,均值为1.458。在算例一中,三层的层间位移角与其它各层的层间位移角的比值分别为1.77、1.06、1.08、1.47和2.58,均值为1.592;③可以看出,随着二～三层柱配筋率的增加,各层的塑性位移也随之增大。因为第三层柱的屈服弯矩提高,从而使得结构所能承受的最大水平荷载增加,这样各层受到的水平荷载作用也就随之增加,从而导致塑性变形提高。可见,在二～三层增加配筋,对减小薄弱层的层间位移还是有一定作用的,对防止三层出现薄弱层也是必要的。

图6为水平荷载作用下,当结构达极限状态时的各层层间位移及层间位移转角。可以看出,算例二的除顶层外的各层的层间位移转角和层间位移都有明显减小,而且薄弱层(也就是三层)的层间位移转角和层间位移减小量为最大,可见增加配筋量对防止出现薄弱层还是有一定作用的,但是并没有最终改变薄弱层的位置。这是由于随着异形柱的配筋率增加,尽管在一定程度上增加了柱的延性及屈服弯矩,但是这个增加是有限的,还不足以改变薄弱楼层的位置。

所以总的来说,增加第二～三层柱的纵向钢筋配筋率可以在改善楼层的薄弱情况,提高结构的最大水平荷载承载力,增加结构的顶点位移;但是这个改善是有限的,还不至于改变结构的薄弱楼层位置。

5 结 论

本文从不同的角度评估了异形柱框架结构的抗震能力。从分析结果看,在轴压比较小的情况下,异形柱结构具有较好的抗震能力;轴压比是降低抗震能力的重要原因,随着轴压比的增加,截面曲率延性显著降低,必须严格控制。

本文通过塑性铰的发展情况和层间变形分析其薄弱层位于三层,经过计算可知增加第三层的薄弱柱配筋,可以改善结构的侧向位移延性,减小薄弱层的层间位移转角。

参考文献

[1]秦雷.钢筋混凝土异形柱结构弹塑性动力分析与基于性能的抗震设计研究[R].合肥工业大学,2003.

[2]胡庆昌.钢筋混凝土框架的抗震设计[M].北京:地震出版社,1991.

[3]Helmut Krawinkler.Pros and cons of a push-over analysis of seis-mic performance evaluation.Engineering Structures,2008(20):452-464.

[4]吴京,等.预应力混凝土框架结构抗震推倒分析[J].工业建筑,2010,(10):7-10.