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2012/7/2 9:45:27 有3430人阅读
异形柱框架结构是指全部或部分采用L形(角柱)、T形(边柱)和十字形(中柱)等非矩形截面柱的框架结构。近年来,无论是非抗震设防区或抗震设防区,在住宅、办公楼等建筑中应用日见增多。当前，钢筋混凝土异形柱框架结构体系在日照市也得到了越来越广泛的应用。
异形柱结构最显著的优点是避免了房间边角采用矩形柱而突出的柱楞,在一定程度上克服了住宅、办公室的室内空间不完整及视线滞回不流畅的问题,从而使房间布置和空间感觉得到了极大的改善,增加了房间的有效使用面积,经济性和实用性都得到了提高,深受广大业主和建筑师的好评。
框架结构具有较好的抗震性能和灵活的使用空间,但柱的截面较大,柱角凸出,影响美观和使用。异形柱框架结构是在框架结构体系的基础上发展起来的一种新型的结构体系,一开始主要为了解决因为应用了轻质墙板和加气混凝土砌块后而出现的框架柱柱角露出墙外的问题,将框架的矩形方柱改成“T”形、“L”形和“十”形的异形柱。可后来很多文献表明:异形柱框架结构柱的正截面承载力、受剪性能、延性以及框架节点强度等指标在同等受力状态下,与矩形柱框架结构相比，均有一定的优势。同时,也有模型振动台试验验证其抗震性能，结果表明,异形柱框架结构的抗震性能比矩形柱框架结构有明显的提高，异形柱框架结构抗震性能提高的主要原因是建筑物总体质量较轻。目前针对异形柱国家出台了JGJ 149-2006《混凝土异形柱结构技术规程》，用于指导设计和施工。
(1)异形柱框架结构与矩形柱框架结构相比,其抗震性能有了明显的提高。质量的减轻是其抗震性能提高的主要原因,当然,结构侧移刚度对它也有一定的影响。
(2)异形柱框架结构其框架的节点具有较好的延性。
(3)在设计异形柱框架结构时,要充分考虑这种结构有可能出现的抗震薄弱环节。如异形柱框架梁柱之间的节点,虽然地震时其层间位移较矩形柱框架小,但由于异形柱的翼缘较长,当遇到强烈地震时,混凝土容易在节点处首先出现塑性破坏,导致整个结构的破坏。在建筑高度较高的或有特殊要求的异形柱框架轻型建筑中,为进一步防止可能出现抗震薄弱环节,可增设框架的斜撑或剪力墙,以提高建筑物的整体刚度。
(4)在工程的实际施工过程中,要注意异形柱的施工质量。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,给建筑的抗震带来隐患,柱与墙之间要加强连接,以使加气混凝土砌体与异形柱框架共同发挥作用(增强侧移刚度)。
异形柱框架结构存在的问题：
虽然在许多工程中采用了异形柱结构,但由于特殊的截面形式,其受力特点和抗震性能都较矩形柱有许多不同。异形柱的设计方法不同于矩形柱,对异形柱的实验研究和理论分析比较少,国家目前也未颁布相应的设计规程。异形柱结构中的不足: T形、L形柱截面的几何形状不对称性将导致结构沿工程轴正反两方向水平受力时,两方向构件的强度、刚度、延性等抗震性能的不对称性;异形柱框架结构的节点核心区较为薄弱;异形柱周长明显大于等面积的方形柱的周长,这使得混凝土保护层脱落的截面削弱更为严重;受扭时异形柱内拐角处会出现应力集中现象;异形柱由于肢长与肢厚的比值较大,受力时会有一定程度的翘曲现象发生。由于异形柱结构中柱截面的肢厚尺寸较小,在地震初期易导致混凝土被压碎和引起钢筋屈服。如何增强异形柱结构的抗震性能,是目前亟待解决的问题。地震作用是建筑物承受的主要的水平荷载。由于地震的随机性使结构抗震十分复杂,因此成为结构设计的重要方面。震害表明:结构具有一定的刚度,同时又有较好的延性对结构抗震是非常有利的。
结构的耗能机制及变形能力：
根据建筑抗震设计规范的要求,结构和构件应有合理的耗能机制及变形能力。试验结果表明,异型柱框架结构的耗能主要由下列部件完成:
1、使梁端首先屈服,出现塑性铰,即“强柱弱梁”,这是基本的抗震设计原则之一,也是保障结构有良好的弹塑性耗能能力的重要措施。通过合理的结构布置和设计,做到“强柱弱梁”,使结构具有良好的抗震耗能能力,使柱端的屈服和出现塑性铰晚于梁端,即在结构各个节点处均具“强柱弱梁”的特性。
2、节点的破坏应晚于梁柱,且应做到强节点,强锚固。
试验表明,梁柱节点区内配置水平箍筋能提高节点的承载力和节点区出现0.2mm裂缝宽度时的荷载值。当梁柱屈服后,节点出现若干条45°方向的斜裂缝,但直到梁柱出现塑性铰,节点仍能较好地工作。耗能主要靠梁柱,但填充墙也能消耗散一部分地震能。节点的工作性能应稳定,其破坏必须晚于梁柱且程度应较轻,这是保障结构整体有良好耗能性能的必要条件。
3、楼板与梁可共同耗能。因楼板参与梁的工作,楼板在梁铰位置出现裂缝,当梁铰发展到一定程度后,楼板出现脆性断裂而成通缝,这些过程使楼板能消耗一定的能量。当楼板为受压时,梁端截面相当于一个T形截面,其翼缘受压,相对受压区高度较小,可使梁的延性性能很好地发挥。当楼板受拉时,由于楼板的开裂,失去了抗拉作用,梁就象矩形截面梁一样,也能发挥其正常的耗能作用。
增强异形柱结构延性和抗震性能的措施：
为了把结构的地震反应造成的损坏降低到最低限度,并确保带有适度抗侧能力的建筑物避免倒塌,结构在建筑物产生超出弹性范围的大变形时,必须仍能维持其大部分的初始强度。结构及构件抵抗非线性反应的变形能力称为延性。延性是地震区建筑结构设计的重要特性。提高结构抗震的延性,首先是提高构件自身的延性,其次是提高结构整体构造的延性。结构的地震反应是动态的,主要是变形而非内力。为了适应地震作用引起的变形,大多数结构需要延性。结构延性是结构抗震设计时所依靠的重要性能。
1、剪跨比
剪跨比是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要的因素。剪跨比较小的柱子会出现斜裂缝而导致剪切破坏。考虑到框架柱中反弯点大都接近中点,常常用柱的长细比近似表示剪跨比的影响。新抗震规范规定,框架柱的净高与截面高度比宜大于4。据此在梁高为600mm的前提下,在标准层层高为3·0m时,异形柱的最大肢长可为600mm。
2、轴压比
轴压比是影响钢筋混凝土柱承载力和延性的另一个重要参数。轴压比较低时构件一般为大偏压破坏,轴压比较高时构件一般为小偏压破坏。随着轴压比的增大,柱的极限抗弯承载力提高,但极限变形能力,耗散地震能量的能力都降低。控制柱截面轴压比的目的是在于要求柱应具有足够大的截面尺寸,以避免出现小偏心受压破坏而导致延性降低,从而提高柱的变形能力,增强框架柱的延性,以满足抗震要求。因此,需对框架柱的轴压比作出规定,以保证柱子具有一定的延性。这一限值可取大、小偏心受压破坏的界限值。
3、配箍率
实验表明,箍筋配箍率对异形柱的滞回耗能特性影响很大,配置矩形复合箍筋可以有效提高混凝土的极限压应变,加密箍筋可以显著提高异形柱的延性。通过减小箍筋间距,不仅减小了纵筋的无支撑长度,延缓了纵筋的压曲,而且由于箍筋配筋率的提高,使混凝土受压应力-应变曲线下降平缓,这二者都可以使异形柱的延性增强。
4、在异形柱中设置暗柱
带暗柱异形柱:即在异形柱中设置暗柱。带暗柱异形柱比普通异形柱的抗震能力有很大的提高。结构体系中底层一般为薄弱层,一般情况下,底层柱底至反弯点高度处宜采用暗柱。异形柱暗柱尺寸,一个方向为柱肢厚度,另一个宜取为柱肢厚度的0.5～1.0倍。暗柱纵筋直径宜等于异形柱纵筋直径或取用小一号直径的钢筋。暗柱箍筋应做成封闭箍,暗柱加密区内箍筋直径和间距最好与柱端箍筋直径和间距相同。
异形柱端部和转角处设置暗柱可以大大改善构件的延性。发生剪切破坏的构件腹板内很早就出现了斜裂缝,并发展到了一定宽度,但由于两端的暗柱阻挡了斜裂缝进一步发展,使斜裂缝没有贯穿整个截面,而只是沿着暗柱和翼缘的交界处竖向发展,整个构件仍能承受较高的荷载,改善了构件的延性,对钢筋混凝土核芯筒有明显的约束作用,提高了异形柱的强度和变形能力。
住宅中采用异形柱框架结构,房间内不露柱角,美观实用,增加建筑有效面积,使用新型墙体材料后,减轻了结构自重,环保节能。通过分析结构的耗能机制和变形能力,采用控制剪跨比、轴压比,适当提高配箍率和设置暗柱改善构件延性从而增强异形柱框架结构的整体抗震性能,保证结构的整体性。