建筑结构设计中的异形柱节点受力特点分析论文

分类：建筑设计论文发表 时间：2012-02-25 15:31 关注：(1)

武玉梅
摘要：异形柱结构形式是在原有剪力墙的基础上, 借鉴了框架结构的优点， 形成了新的住宅结构形式，受到人们的欢迎，拥有广阔的发展前景。本文建筑设计论文简要介绍异形柱、异形柱节点的分类、受力特点及设计中需要注意的问题。
关键词：异形柱；节点受力特点；影响节点受力的因素

普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们的住宅要求。异形柱结构形式能够节约能源消耗、改善抗震性能、增加使用面积、促进墙体改革、适应功能变化需要的新型建筑结构体系。它不仅提高了房屋的实用性、改善外观，可以灵活多样分隔空间,避免了普通矩形框架结构存在梁柱楞角的缺陷，便于人们更好的利用空间。

一、异形柱
1、有关异形柱
异形柱是在原有剪力墙的基础上, 借鉴了框架结构的优点， 形成了新的住宅结构形式，即异形柱结构形式，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子，一般有异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构。异形柱是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在 2～4, 柱截面除了常用的的矩形、圆形以外的截面形式，而采用多个小墙肢的组合截面柱子，由剪力墙演变而来，柱肢截面的肢厚比（即肢长/肢宽）不大于4。常用的有L形、T形和十形，亦有采用Z 形。柱肢宽度一般使用与墙体相同的厚度，这样就避免了矩形柱棱角凸出的缺点，因此，异形柱特别适合住宅建筑，深受用户的欢迎，并得到了广泛的推广。
2、异形柱受力特点
首先，源于截面的特殊性，墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，以致于各向刚度不相同，其各向承载能力存在较大差异 ；对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压较小时，受力明确，有良好的变形能力。对于短柱（H / h< 4 ），有一定比例的剪切变形，构件变形能力下降。异形柱一般在短柱范围，属于薄壁构件，如果出现延性的弯曲形破坏，截面曲率 M/EI 或εcu/ χ（εcu 为砼的极限压应变，χ为截面受压区高度）较小，弯曲变形性能有限，延性较差 ；异形柱是多肢的，它的剪切中心一般在平面范围之外，受力时依靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，使得各柱肢内有较大的翘曲应力和剪应力，柱肢受剪应力的存在容易先出现裂缝，各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱变形能力、脆性破坏均比一般截面出现减少；异形柱纯翼缘柱肢受压，其延性较差。影响异形柱破坏形态及延性的两个因素是：轴压比、高长比。严格控制轴压比, 高长比要小于 4( 短柱)。轴压比的合理性，将大大提高柱的变形能力, 符合抗震要求。
二、异形柱节点受力特点
1、异形柱节点构造
异形柱结构的薄弱环节之一是节点，节点位于钢筋的锚固以及保证节点区混凝土浇筑的质量，柱钢筋数量应该是不宜过多且柱钢筋的直径不宜过大。
2、异形柱节点分类
节点是位于梁与柱的交汇区，属于梁高范围的柱段。依据节点的位置，分为中间层中间节点和端节点，顶层中间节点和端节点。将所属的本层和上层荷载和作用(例如地震)有效地传递到下层柱中去是节点的主要作用。因此节点核心区的的受力十分复杂，它包含的作用力是，分别与节点相连接的梁端、柱端的弯矩、轴力、剪力甚至扭矩等等。
节点的分类依据的是满足被连接构件的受力特性要求，分为两类。第一种类型是结构承受重力荷载和一般风荷载，所连接的构件(梁、柱)主要按承载能力极限状态设计，节点需要满足所连接构件的承载力要求；第二种类型号是结构承受地震作用情况，节点需要满足所连接的构件在反复变型下能够进入非弹性同时须维持一定的承载力的要求。而针对矩形截面柱框架，一般情况下，第一种类型节点不需要对节点核心区进行受剪承载力验算，只要能够达到构造要求和配置一定数量的水平箍筋。第二种类型的节点，对节点核心区进行受剪承载力验算并且能够达到抗震构造措施一定是针对一、二级抗震等级要求的，只要能够达到抗震构造措施，是针对三、四级抗震等级要求的。
3、异形柱节点强度
在高烈度地区控制异形柱结构所用的高度的参数不仅仅是柱轴压比，而是节点区的强度。因此我们在设计时必须充分进行节点区的强度验算。首先，异形柱框架的肢厚不大，节点核心区有效水平截面积小，这不同于普通框架的梁柱截面只要满足规范构造要求，节点核心区面积大，除二级或更高抗震等级的节点外，一般不需要专门进行点抗剪验算。其次，源于轴压比的要求，一般肢长较大，相对同截面面积的矩形柱来讲，刚度大，地震作用大，相应的节点剪力比相同布置下(柱面积相等)的矩形柱结构大。再次，异形柱肢厚度偏薄，节点斜压机制引起的核心区斜压力相对较大，钢筋握裹性能差，难以保证施工的质量。最后，异形柱截面形式的不同，其节点受剪承载力也存在较大差别。如，十形截面柱的翼缘布置在节点截面中间受力最大的部位，翼缘的作用得以充分发挥，节点受剪承载力与同截面面积的矩形柱相差不大，T 形截面次之，L 形相差最大，受剪承载力下降最大。研究表明：在相同条件下，节点水平截面面积相等时， L 形、T 形、十形柱节点的受剪承载力比矩形柱节点分别低 33％、17.5％、8％左右。另外异形柱节点受力的复杂性使其不适用于矩形柱框架节点抗剪验算。
4、异形柱节点受力性能
近年来，不少高校对异形柱框架梁柱节点的试验研究达到近50个，首次通过顶层边节点、中节点的试验研究翼缘宽度的影响。
异形柱节点的破坏主要集中于“小核心”区，应以“小核心”为单元研究异形柱节点的抗剪能力。与常规节点一样，异形柱节点“小核心”区也存在斜压杆、桁架和约束机构3种传力机构。它们在传递节点剪力中的相互作用，但是其受力特征在梁端正反向加载下出现不对称性，斜压杆、桁架和约束机构的作用大小与常规节点不同。然而3种传力机构所承担的剪力不同，难以量化。所以在工程设计中综合考虑“小核心”混凝土抗剪能力和箍筋抗剪能力。
三、 影响异形柱节点抗剪能力的因素
1、轴压比
轴压比是控制柱的延性的重要因素之一，无论是矩形柱还是异形柱。轴压力提高节点核心区抗初裂能力主要是因为增加了柱的受压区面积，因而加大了斜压杆的宽度，使参与斜压杆机构的混凝土面积增大，同时梁筋传递给节点核心混凝土的边缘剪中有更多的部分汇入斜压杆机构，造成节点核心混凝土开裂的边缘剪力减小。同时，提高轴压力，可以增大主斜裂缝与水平方向的角度。曹万林等《钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析》表明带暗柱异形柱与普通异形柱相比，承载力及延性和耗能能力有显著提高。
2、柱截面高度变化
影响异形柱截面的延性的因素有轴压比、箍筋的直径、间距有关。分别增大纵筋直径或增加箍筋直径，减少箍筋间距均能提高异形截面双向压弯柱的截面曲率延性。而节点核心上下柱截面、左右梁截面不同都会易于造成节点核心的开裂因此，裂缝会先出现在节点“小核心”的位置，初裂荷载降低的幅度可达3O％左右，对节点核心的通裂荷载影响不大。常规节点通裂后节点核心还有较大的能力承担继续增加的节点剪力，而异形柱节点则不同。为了达到截面延性的要求，异形截面柱设计时应该需要关注轴压比，应该按照规范要求的抗震等级进行设计。如何选择截面应该综合全面考虑。因为采用异形柱主要是为了避免室内外露梁柱构件进而提高房间使用效率，所以异形柱一般设计与墙同宽。同时注意需要符合计算假定的要求，当异形柱的肢长与肢宽比值大于4时，其理论受力性能与柱差异较大，属短肢剪力墙范畴，同时柱也有可能因受力过于集中而在柱肢端部产生扭曲，以致结构整体失稳而丧失本应有的承载力。因此在确定异形柱截面时，我们要将柱的肢长、肢宽比值控制在2左右，从而使异形柱的结构受力性能基本接近于矩形柱。