民用建筑異形柱框架結構設計(4頁).docx
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2022-07-11
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1、民用建筑異形柱框架結構設計摘 要:本文筆者結合設計實踐經驗,闡述了鋼筋混凝土異形柱框架結構設計方法及要點。 關鍵詞:異形柱框架;結構設計;計算分析TU24前言近年來,異形柱框架結構在多層民用建筑設計中得到了廣泛的應用。所謂異形柱是相對于通常的矩形截面柱而言的,是指截面各肢長與肢厚之比不大于4的截面形狀為“”形、“十字”形、“”形、“”形的鋼筋混凝土柱。鋼筋混凝土異形柱框架結構是指僅由異形柱作為豎向構件組成的結構體系,它有如下特點:(1) 具有一般矩形柱框架結構整體性較強,抗震延性好的優點。(2)兼有磚混結構的優點,且又有效解決了磚混房屋超高的技術問題。因此特別適用于聯排別墅、高檔多層住宅等。(2、3) 因墻體厚度一般與異形柱肢厚相同,室內不出現柱楞不露梁,使用面積能增加8%10%。既改善了建筑功能,也提供了大空間及住戶拆改裝修的便利條件。(4) 由于填充墻推薦采用粉煤灰、加氣混凝土砌塊等非粘土質新型輕質墻體材料, 使得造價能低于普通框架結構約10%15%。1 結構體系布置1.1 適用條件本著安全適用、技術先進、經濟合理的設計原則, 異形柱框架結構型式適用于地震烈度 7度及以下地區的民用房屋,尤其適用于帶錯層、躍層的多層復雜住宅和小高層。規程關于異形柱框架結構的適用條件為: 7度區總高度不超過24m,總層數不超過 8層;6度區總高度不超過35m,總層數不超過 12層。超過此限制標準時的小3、高層, 建議采用短肢剪力墻結構。1.2 結構布置在工程設計實踐中, 異形柱常用截面形式有“L”“T”“十”型等,特殊形式還有“Z”型和“一”型。在考慮滿足建筑功能要求的前提下,體系以力求布局合理、剛度均勻、力求均衡、減少扭轉為布置原則。因此異形柱的合理布局是整個結構布置的關鍵。柱布置時,宜規整對齊,并按“密柱小梁”的布置思路,平面節點(軸線交叉點)應盡量設柱,避免主次梁搭接。柱間距一般在3m6m之間取值(柱網尺寸不應大于6.0m6.0m);柱應雙向拉結,以形成雙向剛接框架。對底層大空間的異形柱框架體系, 轉換層下的支承柱不允許采用異形柱,應全部采用矩形柱。對底層架空層抽柱形成轉換層的情況, 要4、求樓板厚度150mm;上層異形柱與下層矩形框架柱面積比宜接近1;上層異形柱與下層矩形柱的重疊面積不應小于23。值得注意的是:在結構平面布置時,有時因為建筑布局的功能、美觀要求,只能設置“一字形”柱,且僅能保證一個方向有框架梁通過,此時在另一方向應沿柱肢寬增設暗梁,來保證柱平面外的剛度與穩定,且一字形柱的寬度不應小于300mm。1.3 構件尺寸限制(a) 柱肢寬度,一般取與墻體相同的厚度(如200mm),不低于 180mm和不超過 250mm。若肢寬偏低會造成施工困難,偏高則導致柱體笨拙不經濟,也可能造成短柱或剪跨比超限。(b)肢長根據2肢厚比(肢長肢寬)4的控制指標進行確定,且肢長不宜超過 65、00mm。(考慮角柱扭轉明顯,肢長應取高值,且箍筋全長加密)。此外,異形柱剪跨比也要控制在 24范圍內。控制肢長或肢厚比的目的在于:當異形柱肢長增大時,柱剛度增大,受震害越大, 因而對結構受力性能不利。若肢長過大,異形柱還可能形成短柱,使得柱肢端部受力過于集中而發生失穩破壞。因此規程對此規定為:2,4。當異形柱肢厚比超出限制,建議改按剪力墻考慮。(c) 框架梁截面高度,盡量滿足室內不露梁要求,但不應小于梁計算跨度的 115,且不宜小于350mm。梁寬不小于柱肢寬及200mm。1.4 材料選用目前,外墻采用非承重砌體,內墻采用輕質板材,推廣使用非粘土質新型墻體材料。常用輕質墻體材料主要有ALC砌6、塊(板)、JYM頁巖模數磚、砼空心砌塊等,容重應29kNm2。鋼筋常用 HRB335、HRB400級。異形柱的混凝土強度等級不應低于C25,常用C30。2 計算分析與參數控制2.1 計算模型對于柱、異形柱、短肢剪力墻和剪力墻等豎向構件,從截面構造上劃分,比較統一的認識是:設肢截面高為 h,寬為b,當矩形截面 1hb3且h、b300mm時為柱;當異型截面 3hb5時為異形柱;當 5hb8時為短肢剪力墻;當 8hb時為剪力墻。它們適用范圍不同,構造措施也不同。其主要區別是表現在受力變形方面: 異形柱是以承受豎向力為主的構件,受力變形接近于矩形框架柱,為剪切變形,計算時應按柱輸入;普通剪力墻是以承受7、水平作用為主的構件,屬彎剪變形,計算時按墻輸入;短肢剪力墻變形接近于剪力墻。在結構力學計算中,柱與剪力墻對于整個結構的受力性能影響,是大不相同的.選擇不同的輸入方式,無論自振周期、結構側移,還是基底彎矩和剪力、梁柱內力,都有很大的影響和差別。在實際工作中,所布置的往往不全是異形柱,其中經常會混合采用一字柱或一些墻肢相對較長(肢厚比超限)的剪力墻等等。在計算模型輸入時,如果把異形柱按短肢剪力墻輸入,甚至將異形柱框架結構全部按短肢剪力墻輸入,那樣勢必造成很大的計算誤差,進而影響結構、構件的安全。因此,在程序整體計算模型輸入時,提醒注意以下幾點: 對于肢長與肢寬之比不大于4的異形柱,由于它已接近柱的8、特征,應按異形柱形式輸入;對于肢長與肢寬之比稍大于4但不超過5的短肢剪力墻,當其軸壓比不高時,建議也按異形柱套用;Z字型柱, 建議按剪力墻建模計算。2.2 計算程序選用由于異形柱截面形心往往與柱肢中軸線不重合,在水平荷載作用下,水平力通過與柱肢等寬的框架梁傳至柱肢中軸線上,使柱雙向偏心受壓,并產生扭轉力矩。顯然,異形柱為雙向偏心受壓構件。對異形柱結構體系而言,其自身特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱框架結構不同。異形柱的截面應力要比一般矩形截面柱復雜得多。如對L形截面柱,在柱肢軸線不通過柱截面彎曲中心的情況下,由于彎曲扭轉力矩的作用,柱截面產生扇性剪應力及扇性垂直應力 (翹曲應力),其中扇9、性剪應力通常很小,可以忽略不計,而扇性垂直應力相對較大,是必須考慮的。因此,整體計算分析時,須按空間體系考慮和采用彈性方法。相應地,結構整體分析應選用具有異形柱單元的計算程序采用進行。在工程設計中,通常采用 PKPM系列之多高層空間有限元分析軟件 SATWE進行結構分析,計算精度較高。當采用不具有異形柱單元的空間分析程序(如TBSA5.0)計算異形柱結構時,可按開口薄壁桿件模型進行內力分析。2.3 參數選擇SATWE軟件應用時,以下幾個參數選擇很關鍵: 框架抗震等級: 6度區 H22m時, 四級; 6度設防區房屋高度H22m、7度區 H22m時,三級;度區 H22m時,二級。梁柱剛性連接:電算10、時應注意:由于混凝土異形柱的柱肢較長, 梁柱重疊部分較大, 因此須點取“梁柱重疊部分作為剛域”選項進行計算;柱雙偏壓:異形柱是雙偏壓桿件,須采用雙偏壓計算。調整系數:現澆結構中梁剛度放大系數2.0,邊梁剛度放大系數 1.5;框架結構周期折減系數 0.60.7。對全樓強制采用剛性樓板假定。2.4 計算結果合理性判別 內力與位移計算全部由程序完成,計算結果是否合理,以下三個參數必須滿足: 位移:異形柱框架結構按彈性計算方法,樓層層間位移與層高之比(uh) 應不大于 1550。周期:要求結構以扭轉為主的第一自振周期 Tt 與以平動為主的第一自振周期 T1之比 TtT10.9,以符合高規(JGJ3- 11、2002)第 4.3.5條要求。軸壓比:應滿足省標第6.2.1條要求。對軸壓比限制目的在于實現強柱弱梁,提高柱的變形能力(延性),防止出現小偏壓破壞。抗震設計中柱軸壓比反映柱構件的變形能力,是影響柱破壞形態的重要因素。作為異形柱延性的保證措施,柱軸壓比因此從嚴控制。對于短柱,要求設計盡量避免,避免不了時按規程表6.2.1條的規定限值減小 0.05取用。3 節點設計及構造要求從工程實踐可以知道,7度區總高度不超過24m的建筑,只要其周期、層間位移、抗扭剛度、軸壓比等能滿足規范的要求,異形柱一般都是構造配筋。因此,節點構造設計是結構設計必須重視的環節。目前節點構造可以參用建筑物抗震構造詳圖(03G12、329- 1)、標準圖集執行。異形柱框架結構因其特殊性,節點構造還應符合規程第 6.5章節的相關要求,尤其以下幾點設計中應該注意: 1)柱筋不應在各層節點處切斷;中間節點處,梁筋應盡量貫穿。目的是保證節點變形協調能力,同時減少鋼筋頭也方便施工。柱筋應采用焊接或機械連接。2)異形柱縱向受力鋼筋的布置以柱肢截面的外、內折角處均應設置為原則(間距 200mm),其直徑要求是14mmd25mm(鋼筋直徑太大時,因構件尺寸小會導致粘結強度不足、節點鋼筋設置困難,太小則影響柱的延性),常用16mm、18mm、20mm、22mm;同一截面內,縱向受力鋼筋宜采用相同直徑,且梁端和柱肢的鋼筋根數盡可能采用兩根(13、不超過三根),以防止梁柱節點處的鋼筋過密和妨礙混凝土的澆搗,及保證梁柱節點的受力性能。全部縱向受力鋼筋的最小配筋率,應滿足規程第 6.3.3、6.3.4條的規定,如三級框架時,中柱和邊柱不應小于0.7%,而角柱不應小于0.9%。最大配筋率則不應大于3%。柱的縱向構造鋼筋間距200mm,鋼筋型號一般比受力筋低二級(便于識別) 且不小于 14,構造筋采用拉筋拉結,拉筋間距一般為箍筋的2倍;筆者認為計算最大配筋率時應包含構造筋。3)各層樓蓋豎向荷載都通過梁作用于柱肢端部,使該部位局部壓力較大,建議設置暗柱,尤其是“Z”型柱。4) 梁縱筋直徑 d22mm,且 125?hc(hc 為與梁跨同向的墻肢截面14、高度)。梁最大配筋率按規程表 6.5.5,如C30砼、HRB335鋼筋時,max= 1.9%;5)相鄰梁跨上(下)部鋼筋應采用相同型號鋼筋并盡量拉通, 不能拉通時則錨入節點 Lac;邊節點處, 梁筋伸入節點內水平段長度應 0.45Lac ,豎向彎折段應15d;梁筋自柱筋內側彎入節點處,應按規程6.5.3條要求,設置梁側構造筋和梁端附加封閉箍筋。6) 異形柱的箍筋直徑不應小于8mm, 間距不應大于150mm。箍筋常用10100150。短柱、Z形柱和二級抗震時的角柱,其箍筋應全長加密;異形柱箍筋為復合封閉式箍筋(禁止采用有內折角的箍筋) ,末端應做成 135的彎鉤 ,彎鉤端頭直段長度應 10d(d為箍筋直徑) ,且75mm。7) 節點核心區體積配箍率,按規程6.5.7條要求。8)異形柱縱向受力鋼筋的混凝土保護層厚度規程第6.1.5條不應小于20mm,且不應小于縱筋直徑d,但根據砼規范(GB50010-2002)第 9.2.1條規定,應該取用30mm。4 結束語目前民用建筑,市場需求是日益朝著大開間、大空間方向發展,給異形柱框架結構體系帶來了廣泛應用的前景,尤其,在地震烈度 7度及以下地區,它不失為一種安全、經濟的結構方案選擇。作為結構設計人員,需要我們善于思考、勤于總結、積累經驗,利用正確的概念進行設計, 使異形柱結構體系逐漸地得到發展、推廣和應用。
CAD圖紙
上傳時間:2023-12-14
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