浅谈民用住宅异形柱结构设计

摘要：采用异形柱结构的优点是柱截面厚度与填充墙的厚度相同,柱子不会突出墙体,其刚度介于框架结构和短肢剪力墙结构之间,并具有较好的经济性。

关键词：异形柱；结构设计；计算；水平位移；

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

在早期，受传统及经济因素影响，在我国大部分地区城镇住宅结构基本采用砖混结构为主，经济实用，但抗震性能差。在高烈度地区的应用受到很多限制。选择合适的结构形式成为突出问题。本文以城镇住宅为例探讨异形柱结构建造多层住宅的适用性。

一、砖混结构目前存在的问题

(1)基本概况

该城市抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,三类场地土,住宅以砖混结构为主,一般为六层带地下室,地下室层高2.2m ,其它层层高为2.8～3.0m ,室内外高差为1.0m。墙体为MU10砖,M10混合砂浆砌筑。现浇楼板、构造柱、圈梁混凝土强度等级C25。

(2)目前设计存在的问题

由于砖混结构抗震性能差,所以其建筑布局受到一定的限制。在文献[1]中对八度地区的抗震横墙间距、承重窗间墙最小宽度、承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离等都有严格要求,这些规定反映到设计过程中,会给建筑专业和结构专业带来矛盾。因为随着人民生活水平的提高,人们对住宅的要求也越来越高。所以房地产商希望建筑平面灵活,室内空间大,采光好,立面丰富。这样在建筑设计中就会出现平面凹凸、外墙大洞口、纵墙不贯通等现象。设计六层住宅的建筑高度也接近高度极限。构造柱的设置按照在文献[1]第7.3.1条和7.3.2条中第五条的规定布置。单从构造要求上,构造柱的设置就很密。圈梁层层设置,高度为180mm。

采用PKPM验算砖混结构抗震承载力时,除顶层墙体抗震验算能通过外,其它层均有不满足的,且所占比例较大。

可见,采用砖混结构抗震是不满足抗震要求的,目前该地区的做法是墙中配筋。由于某些墙肢的配筋面积较大,每层砖均配筋仍不能满足抗震要求,且每层墙体配筋给施工带来不便。

二、解决措施

从以上分析可以看出,7度抗震地区建造六层砖混结构住宅抗震性能差,不经济。在建筑材料强度不能提高的前提下,降低住宅层数可以满足抗震计算,但在目前土地资源紧张的情况下是不可取也是不现实的,所以只有选择其它结构形式。新的结构形式应具有良好的抗震性能,能形成较大的内部空间,利于房间的灵活布置且造价和目前的砖混结构具有可比性。

对多层住宅,可以采用框架结构、剪力墙结构、异形柱结构、短肢剪力墙结构等常用的混凝土结构体系。但是柱子的布置会影响到房间的使用。因为住宅的房间分隔一般都不规整,柱网难以布置成规则框架。如果按规则框架设柱,则在房间中部需布置柱,影响房间的使用功能。另外,不论柱子如何布置,都会存在柱截面尺寸大于墙截面尺寸的情况,造成柱子外凸,影响家具布置和美观,不受开发商和住户的喜欢。采用剪力墙结构会使结构刚度太大,地震力增强,反而不经济。虽然可以减少剪力墙设计成大开间形式,但会增加楼板布置的难度和楼板的厚度。采用短肢剪力墙结构虽然能较好地解决框架和剪力墙结构的缺点,但在建造多层住宅时刚度仍较大,不经济。另外规范中没有相应的多层短肢剪力墙的计算和构造规定。近几年在十多层小高层住宅中应用比较广泛。采用异形柱结构的优点是柱截面厚度与填充墙的厚度相同,柱子不会突出墙体,其刚度介于框架结构和短肢剪力墙结构之间,适合建造多层住宅。

三、工程案例

目前虽没有“异形柱框架结构”的国家规范和规程,只有广东省(DBJPT15-15 -95)《钢筋混凝土异形柱设计规程》及文献[5]地方规程。但早在20年前,在非抗震区和低烈度区,异形柱钢筋混凝土框架结构设计和建造已经开始流行,经过多年的使用,深受广大住户和房地产开发商的欢迎。所以笔者在建筑平面布置上采用异形柱框架进行了结构设计。

(1) 结构布置

结构布置遵循框架结构布置的一般原则。柱网布置尽量简单规则,刚度分布均称。框架双向设置,使结构在纵横两个方向均有较强的抗侧移能力。

在房屋的角部布置L形角柱。沿外墙设置T形边柱,在房屋中间根据内隔墙的具置设置L形中柱。由于层高为3.0m ,最大梁高为550mm ,柱的净高为2450mm ,如果为避免形成短柱,异形柱的肢长最大为610mm。故异形柱的肢长取600mm。异形柱的肢厚取200mm。梁宽取同肢厚200mm。梁高按跨度取适当的值。结构布置见图1,混凝土强度等级为C30。

图1结构布置图

(2)结构计算

该框架等级为二级。基本风压为0.45kNPm2。结构计算采用中国建筑科学研究院开发的PKPM系列结构分析程序,用PMCAD进行模型输入,用TAT进行结构分析计算。底层柱轴压比计算结果:T形柱轴压比最大值为0.62。参照文献[5]中异形柱轴压比限值,当柱的纵向钢筋直径d=25mm,箍筋间距s=100mm,那么s/d=4,箍筋直径d =10mm 时,L形柱为0.6,T形柱为0.65, +字形柱为0.8。T形柱轴压比满足要求。水平位移计算结果见表1。可见水平位移满足规范要求。

表1水平位移

(3) 经济指标比较

使用面积。该地区位于北方,建筑上考虑保温要求,砖混结构外墙为370mm厚,内墙为240mm厚。墙体面积占建筑面积的18.42% ,异形柱框架结构墙厚为200mm ,外墙可外贴保温材料,墙体面积占建筑面积的12.50%,墙体面积节约6%。

混凝土指标。在砖混结构中,构造柱和圈梁混凝土为0.075m3/m2。异形柱结构中柱和梁混凝土为0.12m3/m2。

用钢量。在砖混结构中,由于每层墙体中配筋,其用钢量达到20kg/m2左右。异形柱结构由于柱距小,其柱和梁的配筋大部分为构造配筋,其用钢量为25kg/m2左右。

从以上几项指标中可以看出,异形柱框架结构造价适中,和砖混结构具有可比性,能为广大中低收入者所接受,且能很好地解决砖混结构带来的一系列问题,是一种值得采用的结构形式。所以说异形柱框架结构住宅有良好的经济效益。

当然,异形柱框架结构由于柱截面的不规则,使得柱受力不太合理,对柱的轴压比要求较高。由于柱肢较薄,梁柱结点处钢筋较密,施工时不容易保证质量，需要在实践中继续研究和完善。

参考文献

[1]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[2]GJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]GB50003-2001,砌体结构设计规范[S].

[4]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[5](DB29216298)1998,大开间住宅钢筋混凝土异形柱框轻结构技术规程[S].

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。