请教异型柱框架结构设计

2007年07月12日 13:34:07

12楼

异形柱结构疑难释疑

问：“一”形柱为什么规程中未采用？

答：“一”形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大。不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是受到两个方向的弯矩同时作用，其受力后的表现可想而知，以上是正截面承载力方面。“一”形柱在双向剪力作用下性能也不好，由<混凝土结构设计规范>GB50010柱双向受剪承载力计算公式可见，柱截面相邻两边长相差越多，其斜向受剪承载力越低。如沿“一”形柱短边方向有梁与其相连，则此梁柱节点的核心区面积只有柱厚乘梁宽这一点点，显然承受不了它受到的节点剪力。
2000年前中国建筑科学研究院抗震所做了“高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究”(见<建筑科学>2000年1期12-16页程绍革、陈善阳、刘经伟的文章)项目。试验结果为：“破坏最严重的墙肢是底层‘一’字形的小墙肢”。注：按文中所附图中小墙肢的长宽比例可其墙肢长/墙肢厚之比很小(<4)，属于柱的范围。该文结论之一是：“短肢墙应在两个方向均有连接，避免采用孤立的‘一’字形墙肢。”这也可看为是对前面分析的试验验证。
所以异形柱规程未将“一”形柱列入。

问：规程为什么未将Z形柱列入？

答：Z形截面柱与“一”形截面柱类似，即两主轴方向抗弯能力相差甚大，如图示。其正截面受弯及双向受剪性能可参见“一”形截面柱的解释。
仅有的Z形柱试验是李杰等人做的沿Z形中间肢作用弯矩和剪力的试验，结果是在此肢中间沿柱长方向出现较大的裂缝。一般情况即斜向受力现无试验研究。多数情况下是Z形的上下两水平肢受与其方向一致的力，即由两根梁传来的拉力或压力，这只有通过中间肢的受扭来传递，后果只能是中间肢的断裂！节点受剪性能到底如何？这些都没有试验结果可以借鉴。钢筋混凝土结构是复杂的非线性复合材料结构，目前还离不开试验，在无大量试验背景下就提出计算公式并列入规程指导设计，显然是太草率了！

问：目前工程中遇到Z形柱怎样设计计算较好？

答：工程中经常遇到需要做Z形柱的情况，在设计计算时较好的方法是在PMCAD输入时将其按两个L形柱来输入并进行内力及配筋计算。因为Z形柱受力较大时易在中间肢劈开，劈开后（极限状态）其受力接近于两个L形柱，按两个L形柱处理较为合适。如按两个等肢的L形柱输入时，中间肢较短时会有大部分重叠也可。此时两L形柱间的梁会因刚度太大而超筋，也不必管，因实际上无此梁，只是有限元计算时必须两柱间有联系需要有此梁。

问：为什么规程中的“异形柱”只限于肢厚小于300mm（L、T、+）异形柱？

答：现在建筑界所讲的“异形柱”，特点是截面肢薄，由此引起构件性能与矩形柱性能的差异。这些包括受力、变形、构造做法等一系列差异。制定规程主要是针对肢厚200、250mm的异形柱，如将肢厚等于和大于300mm的L、T、+异形柱也列入其中，将会有大量篇幅是在后者上，即后者所占的篇幅要大于前者所占篇幅，这将使规程变得“失去重心”。例如：《混凝土结构设计规范》GB50010规定柱截面任一边的尺寸不宜小于300mm，但异形柱的（两肢）肢厚在此情况时，可服从GB50010的规定，即混凝土强度等级可到C50以上；纵筋直径可不应受不大于25mm的限制；纵筋配筋率可不受3%的限制；钢筋净保护层最小要达到30mm；与此柱相连的框架梁梁高可不受异形柱规程限制；截面肢高也不应受不小于500mm的限制、因GB50010规定300mm×300mm截面的柱可做，我做了一400mm×400mm只是去掉了100mm×100mm的一个角的柱，按异形柱规程（肢长不得小于500mm）就不让做了，等等。如将肢厚小于300mm（L、T、+）异形柱也列入规程，则以上所列的这些都要在规程中做出规定，而这些在GB50010中已有规定，占了篇幅，还没有新的东西，让设计人员两本标准都要看，不知要浪费多少人的多少时间。

问：为什么要限制异形柱的混凝土强度等级不小于C25和不大于C50？

答：异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等级为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。

问：为什么不对异形截面柱提出双向受剪截面尺寸及承载力的要求？

答：试验表明，矩形截面钢筋混凝土柱在斜向水平荷载作用下，其受剪承载力大致服从椭圆规律（图1）。椭圆的主次轴在X、Y坐标轴上。如将斜向作用剪力沿X、Y轴方向分解而分别按各自方向验算截面尺寸及计算配筋的话，其结果是设计出的构件受剪承载力偏小了，即在图形上看，斜向剪力作用点处于承载力椭圆图形的外边（图1）。所以，设计计算时要先将剪力沿X、Y方向的两个分力分别扩大，然后再按X、Y向分别配筋，才能达到斜向承载力大于作用力的效果，这就是《混凝土结构设计规范》GB50010的作法。
L、T、+形截面柱有斜向水平荷载作用下，其受剪承载力的平面图形为梅花状（图2），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。图2是等肢（即两肢长度、宽度相同）异形截面柱受剪承载力图形，不等肢时，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。

问：为什么对异形柱设计可以不用剪跨比λ>(或≤)2而用柱净高与柱截面宽之比>(或≤)4来判别短柱与否并提出不同的承载力要求？

答：因规程适用范围为住宅等民用建筑，这类建筑荷载较小，柱刚度相对于梁刚度来讲不是是很大，较少会象公用及工业厂房中由于柱较粗的而发生的柱上反弯点跃层的现象，即每楼层内均有反弯点出现。如沿用《混凝土结构设计规范》GB50010用剪跨比λ来判别的作法，将对多达三、四十种内力组合工况进行弯矩、剪力的计算及判别，这三、四十种工况中有一种λ≤2就应按短柱的要求来计算和配筋。再者，不规定用柱净高与柱截面宽之比来判别是否短柱，初步设计时将设计人员将无法知道自己设计出的柱是否是短柱，而这点对结构抗震性能和房屋造价影响很大，因如是短柱则比非短柱的箍筋用量大大增加。