异形柱结构设计问题汇总？
1概述
住宅开发商和用户对住宅建筑中的柱甚至主梁不突出墙体的诉求与日俱增，极大地推动了柱截面形式的变化，促进了异形柱结构的诞生，并在全国广大地区蓬勃发展。异形柱是指矩形、圆形以外的截面形式，如T形、十字形、矩形等。它的优点是柱肢基本和填充墙一样粗，这样室内就没有柱楞，便于室内灵活布置，可以增加使用面积。异形柱结构可分为异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构。每种结构都有不同的适用高度，比普通的柱结构更严格。
2异形柱的力学性能
2.1承载能力
异形柱不同于矩形柱，矩形柱由多个肢组成。柱肢截面高度与柱肢宽度之比一般为2 ~ 4，墙肢平面内外两个方向的刚度反差较大，导致各方向刚度不一致，其各方向承载力差异较大。
2.2变形特征
一般住宅层高为2 _ 8 ~ 3.0m，异形柱肢厚200mm。为了获得足够的承载力，异形柱的肢长一般不能过小，这样容易导致柱短(柱的净高h/柱的肢长h小于4)，以剪切变形为主，构件的变形能力会下降。即使有轴压比H/H >: 4的柱。由于异形柱为薄壁构件，由于截面曲率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，弯曲变形性能有限，延性较差。
2.3故障机制
由于异形柱是多肢的，其剪力中心往往在平面范围之外。受力时，取决于各柱肢相交处核心混凝土的协调变形。这种协调变形使得各柱肢存在较大的翘曲应力和剪应力。但这种剪应力的存在，使柱肢容易先开裂，即产生腹部剪切裂缝，使各肢的核心混凝土处于三维剪切状态，导致异形柱脆性增加，使异形柱的变形能力低于普通柱。同时，异形柱具有简单翼缘柱肢受压的条件，延性较差，截面不对称导致延性不对称。荷载作用于腹板平面时，翼缘在受拉侧，异形柱在小偏心压力下呈脆性；当翼缘在受压侧时，异形柱受大偏心压光破坏。国内外大量的试验数据和理论分析表明，异形柱的破坏模式有弯曲破坏、小偏心受压破坏、压剪破坏等。影响其破坏形式的因素有:荷载角、轴压比、剪跨比、配箍率和箍筋间距S与纵向钢筋直径D的比值等。由于其截面的特殊性和力学性能的复杂性，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异形柱的强度和延性。
3根异形柱的计算分析
3.1计算方法
在低烈度区，当水平力作用在截面对称轴内时(如异形柱为十字形)，弹性分析计算中翘曲应力很小。此时作为承受水平力的偏心构件，仍可按平截面假定进行分析，按具体设计规范进行计算。但在高烈度区，水平力作用在非主轴方向，翘曲应力不可忽略。如果按平截面假定误差较大，则应进行有限元分析，确定内力和配筋位置及尺寸。在内力和配筋计算时，应选用具有异形柱计算功能的软件，如中国建筑科学研究院的TAT和SATWE程序。
TBSA软件不能直接输入异形柱的截面形式，需要按照柱双向刚度相等的原则将异形截面简化为矩形截面。但此时存在面积误差，柱截面形心主轴的角度也发生了变化，进一步影响构件内力计算及其他计算结果。同时，柱的定位和梁的计算长度也存在问题。TAT和SATWE程序可以直接输入异形柱的截面，不存在这个问题。计算异形柱的刚度时，以其主质心的主轴坐标为参考点，求得异形柱主质心的惯性矩，与之相连的梁的刚度也叠加在异形柱的主质心上。计算时，根据材料力学的经典公式，求出主轴中各种异形截面的惯性矩和方向角，建立主轴的单位刚度，与梁单元和墙单元的刚度一起参与结构的整体分析，更加合理。
3.2计算模型
因为在实际工程中，竖向构件往往不全是异形柱，墙肢相对较长的剪力墙(一般剪力墙或部分短肢剪力墙)往往混合形成异形柱框架-剪力墙结构。在输入这类结构的计算模型时，有些设计人员往往是按短肢剪力墙输入异形柱，有的甚至是按短肢剪力墙输入异形柱框架结构的所有异形柱，这必然会导致计算误差，发现有些构件的误差会影响结构和构件的安全。
如框架梁，根据异形柱的输入，梁长取两端异形柱的形心长度；但按短肢剪力墙输入，梁长取墙肢端部长度，两种方法造成梁内力和配筋差异较大。下面举例分析两种输入方式引起的自振周期、地震作用、结构侧移和结构内力的差异。例:某结构柱网尺寸为4.2rex4.2m，平面布置如图1所示。***四层框架结构，异形柱，高度3.0m，8度，为二类场地。主梁为200mmX500mm，次梁为200mmX400mm，混凝土强度等级为C25。楼板上的静荷载和活荷载标准值分别为4.5kn/m和2.0kn/m，梁上部墙体上的线荷载标准值为7.5kn/m..模型1全部以异形柱形式输入，模型2周边异形柱以短肢剪力墙形式输入。地震分析与TAT软件的比较。计算结果表明，与模型1相比，短肢剪力墙输入的模型2自振周期减小了10.4%，地震作用增大了15.2%，结构侧移减小了32%，结构内力均小于模型1。
4轴压比的控制
对于框架结构和框剪结构，柱的延性对耗散地震能量和防止框架倒塌起着非常重要的作用，而轴压比是影响混凝土柱延性的关键指标。随着轴压比的增加，柱的侧向延性急剧下降。在高轴压比条件下，增加箍筋数量对提高柱的延性作用不大，因此轴压比的控制对柱的延性至关重要。特别是异形柱结构的剪切中心与截面质心不重合，剪应力使普通矩形压剪构件之前的混凝土柱肢出现裂缝，导致腹部剪切破坏。此外，异形柱多为短柱，导致柱脆性增加，且异形柱的延性普遍低于矩形柱，因此应严格控制异形柱的轴压比。
5结构结构
5.1钢筋结构
经过正确的结构选型和计算，截面中的钢筋结构也是保证异形柱力学性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会有较多的人为应力，柱肢受力不均匀。一般越靠近柱肢端部，应力越大，会对柱肢形成偏心压力，进一步增加肢端的压应力。因此，在异形柱的配筋中，纵向钢筋应集中布置在肢端与柱肢相接的转角区域，其余部位应均匀布置间距不大于200mm的构造钢筋，直径为14mm，与箍筋直径和间距同柱的拉筋，可限制柱肢混凝土裂缝的开展，提高异形柱的局部抗剪强度和变形能力。柱的箍筋通过计算确定。箍筋的设置不仅能抵抗剪力，还能抑制混凝土的变形，增加其延性。异形柱不易形成多肢组合箍筋，只能通过增大箍筋直径和密集间距来实现其配筋率。相同配箍率下，箍筋直径大，延性指标好，所以箍筋可以是4，8，4，10，其间距比普通柱箍筋小。
5.2结构的其余部分
5.2.1材料要求
(1)混凝土的强度等级不应低于C25且高于C50。C50以上混凝土的力学性能与普通强度混凝土有很大不同。
(2)纵向受力钢筋应选用高强度HRB400和HRB335级钢筋。采用高强度钢筋，钢筋直径不会太大，减少了钢筋数量，便于布置；如果钢筋直径过大，会给锚具和接头结构的施工造成困难。
5.2.2章节要求
(1)异形柱截面的肢高与肢厚之比不应大于4，且肢厚不应小于200mm。当肢厚小于200mm时，梁柱节点核心区钢筋设置困难，钢筋与混凝土粘结锚固强度不足，结构安全难以保证，施工不便。
(2)异形柱不应呈之字形或锯齿形。工字形截面柱由于肢薄且无翼缘约束，平面外刚度较差，特别是一侧绑梁时，在地震作用下容易破坏。Z形截面柱受力复杂，柱肢有翘曲应力和剪应力，柱腹板也有较大扭矩，在复杂应力下容易造成破坏。(3)应尽量避免短柱和极短柱，异形柱剪跨比应大于2，以降低地震作用下脆性粘结破坏的风险。
6节点核心区抗剪承载力
由于异形柱的截面特点，梁柱节点的核心区较小，梁柱纵筋相交使得不可能有太多的箍筋。为了满足抗剪承载力的要求，只能提高混凝土的等级，但随之而来的问题是构件变脆，与梁板混凝土强度的协调也是个问题。有时为了个别柱的需要，提高所有柱的混凝土等级，也造成投资的浪费。为了解决这一问题，我们在已完成的工程中采用了在节点核心区的柱中增加竖向钢板的方法。钢板延伸到节点的核心区域，并锚定一定的长度。根据钢板与混凝土的协同工作，计算分析了钢板的截面尺寸。最终的设计结果是钢板截面尺寸小，不影响梁、柱中钢筋的布置，钢板设置灵活，需要的地方可以加。该项目已建成使用，效果良好。
7结论
异形柱结构在力学性能和抗震性能上不同于矩形(圆形)柱结构。在设计中，应根据其受力特点，充分了解各种破坏机理，选择合理的结构布置和计算模型，正确掌握计算机分析方法和结构构造，确保结构的安全可靠，以促进这一市场需求巨大的异形柱结构体系的健康发展。
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