【摘要】随着社会不断向前发展,人类居住建筑的室内使用功能也随着社会发展在不断改进,使之更符合人们的使用需求,本文通过对住宅建筑混凝土异形柱结构的体系、结构布置方法进行了论述，并总结出采用新技术、新材料、新产品等设计的可持续发展方向。
【关键词】混凝土异形柱结构；结构体系；结构布置
当前经济社会不断发展,人民生活水平不断提高,与人息息相关的衣、食、住、行等也在不断进步中,人类居住的住宅设计也在根据人民的需求不断向前发展，房屋的结构设计发展也在根据住宅室内的需要在不断改进中,而混凝土异形结构柱由于其形状的灵活性及实用性,在当前的住宅设计中得到普遍的应用。异形柱截面即可分为为L 形、T形和十字形等,其截面各肢的高厚比不大于4。异形柱结构是采用异形柱的框架结构和框架-剪力墙结构,是以L形、T形和十字形的异形截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而成,避免了框架柱在室内凸出,少占了建筑空间, 改善了建筑观瞻,为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性;同时结合墙体改革,采用保温、隔热、轻质、高效的墙体材料作为框架填充墙及内隔墙,代替传统的烧结普通砖墙,以贯彻国家关于节约能源、节约土地、利用废料、保护环境的政策。
混凝土异形柱结构体系主要用于住宅建筑,也可用于平面及竖向布置较为规则的一般民用建筑。但此结构体系在我国目前尚无在8度和9度抗震设防地区的设计和施工工程实践经验,也没有相应的可靠依据的研究成果, 且考虑到异形柱结构的抗震性能特点, 故主要适用于非抗震设计和抗震设防烈度为6度、7度和8度抗震设计的一般居住建筑的设计及施工。
1 结构体系
1.1 异形柱结构可采用框架结构和框架-剪力墙结构体系
根据建筑布置及结构受力的需要,异形柱结构中的框架柱,可全部采用异形柱,也可部分采用一般框架柱。当根据建筑功能需要设置底部大空间时,可通过框架底部抽柱并设置转换梁,形成底部抽柱带转换层的异形柱结构。
1.2 异形柱结构适用的房屋最大高度
混凝土异形柱结构,从结构安全和经济合理等方面综合考虑,其适用的房屋高度和层数有一定的限制(见表1),某些情况下房屋的最大高度可以适当增加或降低,超过表内规定高度时结构设计要有可靠依据, 并且要采取有效的加强措施。
针对混凝土异形柱框架及框架―剪力墙两种结构体系的一批代表性典型工程,主要考虑下列基本条件:①非抗震设计;②抗震设防烈度为6度、7度(0.10g, 0.15g) 及8度(0.20g) 的抗震设计:③不同场地类别; ④不同开间柱网尺寸;⑤结构平均自重按12～14kN /m2;⑥标准层层高按2.9m,根据国家现行标准的有关规定,进行了系统的结构弹性及弹塑性分析计算,综合考虑异形柱结构现有的理论研究、试验研究成果及设计、施工的工程实践经验,由此归纳总结得到关于异形柱结构适用的房屋最大高度。通过典型工程试设计的考核,认为关于异形柱结构适用的房屋最大高度的规定是合适的、可行的。典型工程计算中结构体系计算模型说明如下:
根据工程实际中异形柱结构住宅常用的建筑平面布置特点,大体上可将结构计算所依据的平面布置归纳为具有典型代表性的两种结构体系、三种类型的计算模型:第一类计算模型横向进深为三跨415m, 沿纵向共计六个开间,轴线尺寸取为4.5m,第二类计算模型横向进深为三跨4.5m,沿纵向共计六个开间,轴线尺寸分别取为5.4、5.7、6.0m,第三类计算模型横向进深为二跨, 轴线尺寸为6.6m;沿纵向共计六个开间,轴线尺寸分别取为5.1、5.4、5.7m。其中,第一类计算模型作为确定异形柱结构最大适用高度的基本计算模型。
建筑物层高:首层考虑基础埋深取为4.2m,标准层取为2.9m;异形柱采用T形、L形、十字形三种截面形式;截面尺寸为: 地震区,最大柱肢高h=750mm,柱肢厚b=200mm、250mm,非地震区,最大柱肢高h=750mm、950mm,柱肢厚b= 200mm、250mm,剪力墙厚度: b =200mm、250mm,混凝土强度等级:底层采用C40;上层每两层减一级,直至C25。
1.3 异形柱结构适用的最大高宽比
异形柱结构的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制,适用的最大高宽比不宜超过表2的限值。此表适用于10层及10层以上或高度超过28m的情形,当层数或高度低于上述数值时,可适当放宽。
1.4 异形柱结构体系应符合的规定
影响建筑结构安全的因素有三个层次:结构方案、内力效应分析和截面设计。结构方案虽属概念设计的范畴,但由此所决定的整体稳定性对结构安全的重要意义远超过其它因素。在异形柱结构设计中,应根据是否抗震设防、抗震设防烈度、场地类别、房屋高度和高宽比, 施工技术等因素,通过安全、技术、经济和使用条件的综合分析比较,选用合理的结构体系,并宜通过增加结构体系的多余约束和超静定次数、考虑传力途径的多重性、避免采用脆性材料和加强结构的延性等措施来加强结构的整体稳定性,使结构在承受自然界的灾害或人为破坏等意外作用而发生局部破坏时,不至于引发连续倒塌而导致严重恶性后果。
因此异形柱结构体系应通过技术、经济和使用条件的综合分析比较确定,除应符合国家现行标准对一般钢筋砼结构的有关要求外,还应符合异形柱结构中不应采用部分由砌体墙承重的混合结构形式;抗震设计时,异形柱结构不应采用多塔、连体和错层等复杂结构形式,也不应采用单跨框架结构;异形柱结构的楼梯间、电梯井应根据建筑布置及结构抗侧向作用的需要,合理布置剪力墙或一般框架柱;异形柱结构的柱、梁、剪力墙均应采用现浇结构。
2 结构布置
2.1 异形柱结构设计方案应符合的要求
异形柱结构宜采用规则的结构设计方案,它是指体型(平面和立面形状) 简单,抗侧力体系的刚度和承载力上下连续均匀地变化,平面布置基本对称,即在平面、竖向的抗侧力体系或计算图形中没有明显的、实质的不连续(突变) ;抗震设计的异形柱结构应符合抗震概念设计的要求,不应采用特别不规则的结构设计方案。
2.2 异形柱结构设计方案规则性判别的依据
在异形柱结构抗震设计时,首先应对结构设计方案关于平面和竖向布置的规则性进行判别。对不规则异形柱结构的定义和设计要求,应符合国家现行标准对一般钢筋砼结构和砼异形柱结构的有关要求。
2.3 异形柱结构的平面布置应符合的要求
异形柱结构的一个独立单元内,结构的平面形状宜简单、规则, 减少偏心,刚度和承载力分布均匀;异形柱结构的框架纵、横柱网轴线宜分别对齐拉通,异形柱截面肢厚中心线宜与框架梁及剪力墙中心线对齐;对异形柱框架一剪力墙结构中剪力墙的最大间距有限制要求(见表2) ,其限值较现行国家标准对一般混凝土结构的相关规定有所加严。(B为楼盖宽度)
2.4 异形柱结构的竖向布置应符合的要求
根据异形柱结构的特点及抗震概念设计原则,建筑的立面和竖向剖面宜规则、均匀,避免过大的外挑和内收;结构的侧向刚度沿竖向宜均匀变化,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力沿竖向的突变,竖向结构构件的截面尺寸和材料强度不宜在同一楼层变化;异形柱结构体系中,除异形柱上下连续贯通落地的一般框架结构之外,根据建筑功能之需要尚可采用底部抽柱带转换层的异形柱框架―剪力墙结构,这种结构上部楼层的一部分异形柱根据建筑功能的要求、并不上下连续贯通到结构底部(即底部抽柱) ,而是落在转换大梁上(即梁托柱),完成上部小柱网到底部大柱网的转换,以形成底部大空间结构,但剪力墙应上下连续贯通房屋全高。
3 结语
混凝土异型柱结构体系,不仅提供了当前居住功能需要,有利于合理布置较大的居住空间,为住宅套型空间合理布局提供了有利条件,并能随居住功能变化进行灵活分隔,保证了住宅的可改性,保障了住宅工程寿命与使用寿命趋于同步,符合可持续发展的要求。