钢结构设计之异形钢结构设计

　　异形钢结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架-剪力墙结构体系。柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

　　一、异形钢结构特点

　　1、由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个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、对于长柱(H/h>4)可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱(H/h<4)，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率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，使弯曲变形性能有限，延性较差;

　　3、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砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显;

　　4、特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析[2]，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、柱净高与截面肢长比(剪跨比)，配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

　　二、异形钢结构适用条件

　　1、居住建筑(住宅及宿舍);

　　2、抗震设防烈度为7度(0.10g及0.15g)和8度(0.20g，I、II、III类场地);

　　3、柱网尺寸不宜大于6.6m;

　　4、房屋总高度的限制。

　　三、异形钢结构的平面布置：

　　1、在异形钢结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。

　　2、结构平面布置应减小扭转效应的不利影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的很大水平位移和层间位移分别不宜大于该楼层两端相应平均值的1.2倍，不应大于该楼层两端相应平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。

　　3、异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构均应设计成双向抗侧力结构体系。

　　4、异形钢结构的框架纵横柱网轴线宜对齐拉通;异形柱肢截面厚度中线与梁及剪力墙中线宜对齐重合。

　　5、异形钢结构不应用于单跨框架结构。

　　四、异形钢结构的竖向布置：

　　1、结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

　　2、异形钢结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的75%，或其上相邻三层刚度平均值的85%。

　　3、楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的85%,不应小于其上一层受剪承载力的70%。

　　4、异形柱框架不应采用楼层错层的设计方案。

　　5、异形柱不宜在楼层半层处单面设置挑梁。

　　五、异形钢结构应按下列原则考虑地震作用：

　　1、抗侧力结构正交布置时，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用。

　　2、有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

　　3、质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。

　　六、异形钢结构应根据不同情况，分别采用下列地震作用计算方法：

　　1、异形钢结构宜采用振型分解反应谱法，当质量和刚度不对称、不均匀时应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。

　　2、高度不超过40m，以剪切变形为猪，且质量与刚度沿高度分布较均匀的异形钢结构，可采用底部剪力法。

　　七、异形钢结构构造做法：

　　1、异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于4，且肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。

　　2、框架梁截面高度Hb可按(1/10~1/15)L b确定(Lb为计算跨度),且不应小于 400mm.梁的截面宽度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。

　　3、异形柱的混凝土强度等级不小于C25和不大于C50，这是由于异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等级为C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少，还不足以行成编制规程条文的基础，所以这次规程未列入。

　　4、异形柱截面上受力纵筋的位置如下图所示。试验和模拟计算表明这些位置上的纵筋均发挥大的作用，特别是当轴压较大时处于各肢内折角处的纵筋的作用不容忽视，一定要作为受力筋处理。

　　5、异形钢结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm

　　八、异形钢结构设计时应注意的问题：

　　1、异形框架的计算

　　由于其截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，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，按砼设计规范计算，特别是在框——剪，框——筒结构中，对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大，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，则应对异形柱框架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，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式，如要用它进行计算，要先进行等刚度等面积换算成矩形柱，进行整体分析，得到双向内力后再进行异形柱的截面设计，其工作量相当大，且截面设计的可靠性不高。目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的TAT、SATWE程序，广东省建院的SS、SSW程序以及天津大学的钢筋砼异形钢结构配筋计算程序CRSC。这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地满足结构安全性要求。

　　2、轴压比控制

　　对框架结构，框-剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重 要的作用，且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。由试验结构分析[3]，柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形钢结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。

　　在钢结构设计规程中，其轴压比按砼设计规范中的要求减少0.05，但其适用高度较低，一般为35 m。当高层建筑的高度进一步加大时，其水平力的影响会愈来愈显著，对结构的延性要求也愈高。由天津大学土木系对异形柱延性资料可知，影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平侧移下，其延性性能也有较大差异，因而，轴压比控制应参考天津规程。但天津规程的控制过于繁锁，在结构计算中，柱的纵筋与箍面的直径还没有设定，因而箍筋间距与纵筋直径的比值还无法确定。为在实际工作中便于使用，可按不同的截面形式(L、T、十字型)与不同的抗震等级两项指标从严控制，对低烈度地区的这类结构是能够满足其延性要求的。

　　3、配筋构造

　　在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设2Ф14的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。

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