异形柱结构设计问题综述

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1、异形柱结构设计问题综述1概述住宅开发商及用户对建筑住宅中柱甚至主梁不突出墙面的呼吁，日益高涨，从而极大地推动了柱截面形式的变革，促使异形柱结构的诞生，并在全国广大地区蓬勃发展。异形柱指的是除矩形、圆形以外的截面形式，如T形、十字形、形等截面形式它的优点是，柱肢基本与填充墙等厚，使室内不出现柱楞，便于室内灵活布置，又可增加使用面积。异形柱结构分为异形柱框架结构和异形柱框架一剪力墙结构，各种结构各有不同的适用高度，且均比普通柱结构要求更严。2异形柱的受力性能2．1承载能力异形柱不同于矩形柱，它由多肢组成，柱肢截面高度与柱肢宽度的比值一般在2～4，墙肢平面内外2个

2、方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异。2．2变形特征一般住宅的层高在2_8～3．0m，异形柱肢厚在200mm左：占，异形柱为了获得足够的承载力，肢长一般不会太小，这就容易造成柱剪跨比过小，形成短柱(柱净高H／柱肢长h小于4)，以剪切变形为主，构件变形能力下降。即使存在轴压比较小的柱H／h>4，由于异形柱属薄壁构件，也会因截面曲率M／EI或ecufX(ecu为混凝土的极限压应变，x为截面受压区高度)较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。2．3破坏机理异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心

3、混凝土协调变形，这种变形协调，使各柱肢内存在比较大的翘曲应力和剪应力。而该剪应力的存在，使柱肢极易先出现裂缝，即产生腹剪裂缝，使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，导致异形柱脆性增加，使得异形柱较普通截面柱变形能力低。同时，异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差，不对称截面导致不对称延性。当荷载作用在腹板平面内，翼缘在受拉侧，异形柱小偏压脆性破坏；翼缘在受压侧时，异形柱大偏压延性破坏。由国内外大量的试验资料和理论分析表明，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等。影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、剪跨比、配箍率以及箍筋问距S与纵筋直

4、径d的比值等。异形柱由于其截面的特殊性及受力性能的复杂性，在设计中，必须通过可靠的计算分析和必要的构造措施，来保证其强度和延性。3异形柱的计算分析3．1计算方法在低烈度区，且水平力作用在截面对称轴内时(如异形柱为十字形)，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按混凝土设计规范计算。而在高烈度区，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，应选用带有异形柱计算功能的软件，如中国建筑科学研究院的TAT，SATWE

5、程序等。TBSA软件不能直接输入异形柱的截面形式，需按柱子双向刚度相等原则，将异形截面简化为矩形截面，但此时存在面积误差，同时，柱截面形心主轴的角度也发生了变化，进而影响构件内力的计算及其它计算结果，同时柱的定位、梁的计算长度，都存有问题。TAT，SATWE程序可直接输入异形柱的截面，不存在这一类问题。在计算异形柱的刚度时，以其主形心的主轴坐标为参考点，求出异形柱主形心惯性矩，与之相连的梁的刚度也均向异形柱主形心叠加。计算时，按材料力学的经典公式，求出各种异形截面在主轴的惯性矩和方向角，并建立主轴的单元刚度，与梁元刚度、墙元刚度一起，参与结构的整体分析，分析

6、更为合理。3．2计算模型由于在实际工程中，所布置的竖向构件往往不全是异形柱，其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙(一般剪力墙或部分短肢剪力墙)，形成异形柱框架一剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时，有的设计人员常会把异形柱，按短肢剪力墙输入，有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱，按短肢剪力墙输入，这样势必造成计算误差，而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁，按异形柱输入的，粱长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输入的，梁长取墙肢端点长度，两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。下面举例分析2种输入方法引起的自振周期、地震作用及结构侧移，结构

7、内力的差异。例：某结构柱网尺寸为4．2rex4．2m，平面布置见图1。共4层异形柱框架结构，层高3．0m，8度，Ⅱ类场地，主梁200mmX500mm，次梁200mmX400mm，混凝土强度等级C25，楼面静、活荷载标准值分别取4．5kN／m，2．0kN／m，梁上墙的线荷载标准值取7．5kN／m。模型1全按异形柱形式输入，模型2周边异形柱按短肢剪力墙形式输入。用TAT软件进行抗震分析比较，结果见表1。计算结果反映出：按短肢剪力墙形式输入的模型2，同模型1相比，自振周期小了10．4％，地震作用大了15．2％，结构侧移小了32％，结构内力均较模型1小。算例分析表明

8、，不同的计算模型无论对异形柱结构体系的自振周期、结构