简述高层异形柱框轻结构的设计

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-11-17浏览：25次

　　摘要：高层建筑在我国城市建设中越来越多。由于框架剪力墙结构体系抗震性能好，建筑布局灵活，比纯框架结构更经济合理，所以在各种不同使用功能的高层建筑中被广泛应用。但由于高层建筑高度高，荷载大，框架剪力墙结构的梁柱断面都较大，这就会在办公楼或住宅楼内露出较大的梁柱棱角，影响美观和使用。最近我们在高层住宅的结构设计中采用了异形柱框架剪力墙结构，较好地解决了上述问题，从而改善了建筑空间与使用条件。

　　关键词：异形柱框轻结抅,多高层住宅,结构分析方法,设计

　　1 前言：近年来，随着国家住宅建设规模的不断扩大和住宅产业现代化大力推进.建筑的可持续发展和绿色建筑都提出了墙体改革的要求，从环保方面考虑而限制使用普通粘土砖，因此以前造价低廉的砖混结构的使用受到了一定的限制.而钢筋混凝上异形柱框轻结构由于具有能够改善建筑使用功能，使建筑平面布置灵活，增加了使用面积.符合墙改政策，节约能源，抗霣性能较好等优势而得到了广泛的应用。作为一种比较理想的住宅结构体系，异形柱框轻结构在令闻各地的多高沄住宅中部得到了很大的发展和推广使用。

　　2 工程概述

　　本工程为一幢12层的高层住宅，设有1层地下室，作为停车场和设备用房; 地上12层均为住宅，层高2.8m，另有突出屋面的电梯机房、水箱间等小塔楼1层。建筑高度34.7m，小塔楼顶标高38.9m。该工程基础采用深层水泥搅拌桩加固地基，上部结构采用框架剪力墙结构，根据建筑要求，采用了异形柱。

　　3软件选用

　　我们首先认识到，采用异形框架柱，即按建筑布局要求取为L形、T形、十字形等断面较小的柱，不论是框架内力的分析计算，还是施工图的绘制，这已是一个真正意义上的空间框架受力体系，或者说很难简化为平面框架受力体系来按常规的方法计算分析，因此设计中只能按空间受力体系进行内力分析计算。另外，对L形、T形截面的双向偏心受压柱，由于破坏时截面中和轴方位的不确定性，一般手算非常困难，只有利用计算机来解决。

　　我们采用中国建研院编制发行的高层三维分析薄壁柱模型TAT软件，该程序直接采用空间模型进行分析计算，不需要将实际结构简化为平面受力体系，因而它的适用面更广，分析结果更精确。

　　4异形柱的延性及轴压比限值

　　异形柱截面的延性主要与轴压比、箍筋的直径与间距、荷載角等4个因索有关.增大纵筋直径或增大箍筋直径，减小箍筋间距都能提高异形截面双向压弯柱的截面曲率延性。箍筋间距的影响远大于箍筋直径的影响，加密箍筋可以显著地提高截面延性。轴压比大小是决定异形截面双向压弯柱破坏特征的重要指标;随着轴压比增大，截面的曲率延性下降，截面由延性较好的受拉破坏发展为界限破坏受压破坏。另外，异形截面柱的延性由于荷载角的不同而存在差异，不同截面形式差异较大，因为异形截面柱中翼缘的存在，当荷载角变化时有可能出现单纯翼缘受压，这时是延性最差的情况，在设计中应予以足够的里视。总体而言，异形截面柱的延性比矩形柱差。为了满足一定的延性，必须注意轴压比及箍筋直径、间距等因索，尤其应该按照规程要求严格控制轴压比，对十宇形截柱的轴压比给出了更严格的限制。

　　5异形柱框轻住宅体系的结构计算

　　首先，我们比较了异形柱框架剪力墙和矩形柱框架剪力墙两种方案。两方案除柱形状不同外，其它计算条件完全相同。该工程位于八度抗震设防区，基本风压0.3kN/m2，Ⅲ类场地。计算时假定结构变形在弹性范围内，楼面平面内刚度为无穷大。结果表明：第一，采用异形柱的框架剪力墙，结构的振动特性与矩形柱的框架剪力墙结构没有显著差别;第二，采用异形柱框架剪力墙结构，总体刚度更大，整体性更好;第三，采用异形柱框架剪力墙结构，侧向位移减小，结构抗侧移刚度增大，结构抗风、抗震性能提高。

　　其次，我们严格把握了周期、地震力、层间位移和顶点位移的合理数值。设计合理的结构在地震作用下的位移应符合《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(以下简称《规程》)的规定。但反过来，只是位移满足规范要求，还不能确定结构一定合理，因为地震作用并不是恒定值，它与结构刚度有关，当刚度较小时，地震力也小，位移也有可能在限制范围内，这时结构未必合理，因其周期长，地震力太小，并不安全。

　　从国内高层建筑结构设计的经验来看，具有较合理的构件截面尺寸与结构布置的框架剪力墙结构，其合理周期为：

　　T=(0.08～0.12)N，N为建筑物层数。

　　从设计经验来看，在八度区，Ⅱ类场地条件下，建筑物底部总剪力宜在下述范围内：V0=(0.03～0.06)G，G为建筑物总重量。层间位移、顶点位移均不应超过《规程》表4.9.3与4.9.4的限制。

　　4 h+ M0 M, S( ?0 |9 @+ G本工程计算结果如下：

　　结构自振周期：x方向：T1=1.10s，y方向：T1=1.12s。

　　地震力：VOx/G=0.061，VOy/G=0.059。

　　% `- D$ l7 C* ~相对位移：x方向地震力作用下：层间位移ΔU/h=1/860～1/2013，顶点位移U/H=1/1140;y方向地震作用下：层间位移ΔU/h=1/857～1/2602，顶点位移U/H=1/1039

　　. e8 K$ I2 w4 c$ u再次，我们严格遵循了抗震设计概念进行设计。一是由于采用异形柱，柱截面肢长较长，两根异形柱之间梁的计算跨度比矩形柱的短，故梁截面尺寸可减小，以此合理选择混凝土结构构件的尺寸、配筋和箍筋，做到“强剪弱弯”，从而避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏。二是控制异形柱的轴压比。轴压比是指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比。轴压比是影响柱的延性的重要因素之一，试验研究表明，柱的延性随轴压比的增大急剧下降，尤其在高轴压比的条件下，箍筋对柱变形能力的影响很小。因此，在框架抗震设计中，必须限制轴压比，以保证柱具有一定延性。三是“强柱弱梁”，尽量实现梁铰机制，采取与之相适应的抗震构造措施。

　　6异形柱截面的配筋方式及构造要求

　　对于异形截面双向受压柱正截面承载力计算有许多实用和简化计算方法，前面给出的几种方法是工程上常用的分析方法以及软件采用的方法。异形柱截面常见的配筋方式见图，要注意其中的构造钢筋和箍筋的形式。文献通过试验建议L形截面柱宜采用图e的箍筋形式，即采用箍筋加斜拉筋的横向配筋形式，这样可以提高截面延性。

　　1-构造钢筋：2-拉筋：3-纵筋两排设置;4-斜拉筋异形托纵筋及箍筋的配置方式(未注明为受力钢筋)

　　7设计中要注意的问题

　　(1) 当异形柱截面肢宽与框架梁宽度相同时，柱内纵筋与梁内主要受力纵筋相交错，使得梁的有效宽度减小，原本可一排放置的钢筋，不得不放成两排，从而减小了梁的截面有效高度。

　　(2)异形柱框轻结构由于柱为扁柱，而框架梁宽度一般同柱肢宽度，从而形成梁柱节点区钢筋过密，混凝土浇注质量难以保证，因此要求梁柱节点区的箍筋要在水平方向加密，这样也可以增加节点延性，框架梁在两个方向要拉通。

　　根据试验研究表明.异形柱框轻结构接近破坏时楼板与梁的交接处出现大量贯通裂缝，楼板破坏严重，设计中一定要加强楼板的承载能力。异形柱框轻结构体系的楼盖般采用肋形楼盖、大跨度板或密肋楼盖。肋形楼异盖中应注意肋梁宜布置在隔墙位贤，如果板跨较大可以设罝适当的次梁。采用大跨度板有利于房间进行轻质隔断.如果跨度较大,有条件时尽量采用预应力大板楼盖。密肋楼盖整体性能好，刚度大而且承載力较高，自重较轻，抗震性能也比较好，目前在多高层框轻结构住宅体系中应用也比较广泛，其静力分析可以采用交叉梁系模型。

　　异形柱轴压比及配箍率是影响结构、延性的主要指标，由于异形柱梁节点区域钢筋密集，为了保证结构的延性要求.要严格控制轴压比，并且严格满足柱梁端箍筋加密区的长度和间距要求。

《简述高层异形柱框轻结构的设计》

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