浅谈异形柱框架结构在民用住宅设计中的应用

2022-09-11

随着我国住宅产业的迅速发展以及人们物质文化生活水平的提高, 人们对现代住宅的要求不在仅限于一个安居之所, 而对住宅的房间布局, 室内装饰和家具布置提出了更高的要求。如何能充分的利用建筑物的有效面积, 已经成为住宅结构设计中必须考虑的一个重要问题。由此产生了一个新的结构体系——异形柱框架体系。异形柱就是指除了矩形、圆形以外的截面形式, 如T型、L型、十字型等截面形式。异形柱的使用能有效的解决矩形柱框架结构中无法避免的影响建筑物美观及室内布置麻烦的一些问题, 受到了广大设计师的欢迎。近年来, 异形柱框架体系在民用住宅设计中逐渐得到了推广应用。

1 异形柱框架的基本特点

异形柱框架结构是在矩形柱框架结构的基础上发展变化产生的一种替代结构体系。矩形柱框架结构中, 矩形框架柱均突出墙面, 形成一个凸角, 既不美观又影响使用, 给室内装饰和家具布置带来了极大的不便。而采用与填充墙同厚的T型、L型、十字型截面的异形柱时, 不仅可使室内不出现柱楞, 又可以增加房屋使用面积。异形柱用较少的混凝土量, 获得了较大的刚度, 结构自重比一般矩形柱框架结构更轻, 对减小地震作用有一定优势, 还能有效的解决现代住宅建筑要求的大开间, 平面及房间布置灵活方便等矩形柱结构难以解决的问题, 同时也方便了住宅的后期装修, 简化了不少装修工作。由于截面的特殊性, 使得柱肢平面内外两个方向的刚度相差较大, 其各个方向上的承载能力也有较大的差异性。在结构布置时应注意异形柱的布置, 宜使整个结构的平面和刚度均匀对称, 避免扭转对结构的不利影响, 保证结构的整体抗震性, 使整个结构具有足够的承载力、刚度和延性。

2 异形柱框架结构设计中的几个问题

(1) 结构布置。异形柱框架结构的平面布置, 除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定和设计要求外, 还应考虑自身的特点, 采用与填充墙同厚的T型、L型、十字型截面形式的异形柱, 肢宽厚比在2.5~4.5之间, 柱肢薄而狭长, 双向压弯的效应显著, 应重视异形柱的平面布置, 尽量简单规则, 应尽量对称, 使合力中心尽可能与刚度中心重合, 减小偏心距, 尽量减小扭转对结构受力产生的不利影响。异形柱结构的框架柱网尺寸不宜过大, 纵横柱网轴线宜分别对齐拉通, 提高结构抗震能力。异形柱截面肢厚中心线宜与框架梁中心线对齐, 尽量避免由于二者中心线偏移对受力带来的不利影响。建筑立面布置时, 沿竖向的质量分布和刚度变化应该均匀, 竖向体形应力求均匀规则, 避免过大的外挑和内收以及楼层刚度沿竖向的突变, 楼层应避免错层。 (2) 计算方法。以前计算异形柱, 一般是把异形柱截面简化, 等效成矩形截面近似计算, 由于异形柱和矩形柱的截面形式差异很大, 这种方法难以计算异形柱结构的真实受力和各段配筋, 计算结果的参考价值有限。目前, 国内可直接进行异形柱截面设计和内力计算的软件有很多, 以常用的建研院开发的S ATWE程序为例, 程序采用数值积分法进行截面配筋设计, 准确性较高, 经过大量的工程核算, 能有效地满足结构安全性要求。在进行设计时, 应注意几点: (1) 异形柱输入时不能按短肢剪力墙输入, 不同的计算模型无论对异形柱结构的自震周期、结构侧移, 还是基地弯矩和剪力, 以及梁柱内力都会产生很大的影响。如果异形柱按短肢剪力墙输入, 势必造成计算上的误差, 影响结构的安全。 (2) 由于异形柱的柱肢较长, 梁柱在节点处的重叠部分较大, 我们应将计算程序的参数调为“考虑梁柱重叠部分作为刚域”。这样, 程序计算时不会重复计算重叠部分的混凝土重量, 梁的自重按扣除刚域后的梁长计算, 梁的外加荷载按梁两端节点间的长度计算, 截面设计按扣除刚域后的梁长计算, 使得计算结果更加符合结构实际情况, 更加准确可信。 (3) 构造设计。 (1) 混凝土强度等级和柱截面的选择。参照规范要求及实践经验, 混凝土的强度等级不应低于C 2 5, 且不应高于C 5 0。根据近年异形柱结构的工程实践, 异形柱柱肢厚度小于2 0 0 m m时, 会造成梁柱节点核心区的钢筋配置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足。为保证结构的安全和施工的方便, 异形柱截面的肢厚不应小于2 0 0 m m, 肢高不应小于5 0 0 m m。当梁跨度较大时, 为避免柱轴压比过大和柱配筋量过大, 我们应提高建筑物底部一至二层的混凝土强度等级。当底部抽柱带转换层的异形柱结构, 转换层下部结构的框架柱不应采取异形柱, 转换层及下部结构的混凝土强度等级不应低于C 3 0。设计中应避免出现短柱, 异形柱的净高与柱肢截面的高度之比不宜小于4, 抗震设计时不应小于3。 (2) 纵向钢筋和箍筋。异形柱纵向受力钢筋选用时, 应选用较大直径的钢筋以减少根数, 钢筋直径一般不应小于14mm, 且不应大于25mm。每边的钢筋数量宜为2根, 根数较多时可分双排配置。这样有利于施工过程中混凝土振捣密实。异形柱全部纵向受力钢筋的配筋率, 非抗震设计时不应大于4%;抗震设计时不应大于3%。由于异形柱截面尺寸较小, 在焊接连接的质量有保证的条件下, 异形柱、梁的纵向受力钢筋连接宜优先采用焊接, 以方便钢筋的布置和施工, 并有利于混凝土的浇注。纵向钢筋在间距较大时应设置构造钢筋。规范规定, 二三级抗震等级纵向钢筋间距不宜大于200mm, 四级不宜大于250mm, 非抗震设计不宜大于300mm。当纵向受力钢筋的间距不能满足要求时, 应设置纵向构造钢筋, 直径不小于1 2 m m, 并应设置拉筋, 拉筋间距应与箍筋间距相同。异形柱应采用符合箍筋, 禁止采用有内折角的箍筋, 箍筋应做成封闭式, 末端做成135°弯钩。箍筋直径不小于6 m m, 一般选用8 m m以上箍筋, 大直径箍筋的延性指标好, 可以提高异形柱的延性指标, 箍筋间距非加密区一般为2 0 0 m m, 加密区一般为1 0 0 m m。箍筋加密区的长度取柱截面长边尺寸、柱净高的1/6和500mm三者中的最大值。对于柱净高与柱肢截面高度之比不大于4的短柱以及二、三级抗震等级的角柱, 规范规定柱箍筋加密区取全柱高。

3 结语

异形柱框架结构的平面布置比普通矩形柱框架结构灵活, 能较好的体现建筑功能设计的要求, 质量的减轻也使其抗震性能比普通矩形柱结构有了明显的提高, 在民用住宅设计中有着不错的发展前景。然而, 由于异形柱截面形状复杂, 尺寸较小, 容易造成混凝土的施工质量问题, 给建筑物的抗震带来隐患, 这就给我们结构设计人员提出了更高的要求。在异形柱结构的设计工作中, 我们应该充分的了解异形柱结构的受力特点, 正确的把握设计要点, 在确保工程结构设计安全可靠, 经济合理的同时, 应尽量保证现场施工的可行性, 尽量避免出现配筋量过大的梁柱节点。

摘要：简述了异形柱框架结构的形式及应用, 从结构布置、计算方法、以及结构构造设计等方面探讨了异形柱框架结构在民用住宅设计中应注意的一些问题, 从而指出异形柱框架结构的良好发展前景, 值得推广。

关键词：异形柱,于框架结构,计算方法,构造设计