建筑结构设计中的异形柱节点受力特点探讨

文/程鸿超 光明地产集团上海明旺房地产有限公司 上海 200000

建筑结构设计中的异形柱节点受力特点探讨

文/程鸿超 光明地产集团上海明旺房地产有限公司 上海 200000

建筑结构设计中异形柱节点受力特点的研究和分析要以实际的实验结果作为基础，而准确进行异形柱节点分类是前提，针对性的进行节点受力性能的分析，精准的给出节点抗剪承载力的计算方法，科学的总结影响因素并合理化建议，下面我们就从相关单位的轴压比、节点核心区配箍率、柱截面高度变化等因素对抗剪承载力的影响做具体分析。

异形柱；节点特性；受力分析；抗剪承载力

1、异形柱节点分类的原则

在建筑结构设计中，通常把梁与柱的交汇区定位为节点。节点可以对荷载力进行有效传导，承接的传导范围是所属的本层和上层荷载和作用（例如地震）传递到下层柱中。节点核心区作用力复杂，影响因素较多。只有与节点连接的构件满足受力要求，才能保证结构安全。

2、异形柱节点受力机理分析及计算公式

2.1 异形柱节点受力机理分析

要研究异形柱节点受力的机理，应确定异型节点破坏的集中区域，我们将其称为 “小核心”,研究时要细化精分，科学定位。常规节点存在斜压杆、桁架和约束机构3种传力机构，异型节点“小核心”与此相同，不同点在于受梁端正反向加载时受力不对称，使压杆、桁架和约束机构的作用大小和常规节点有所差异，但作用都是此消彼长,传力机构承担的剪力变化影响定量计算,为此我们将异型节点的抗剪能力分解为“小核心”混凝土抗剪能力和箍筋抗剪能力两部分, 综合得出可用于工程设计的异型节点抗剪承载力公式。

2.2 异形柱节点抗剪承载力计算公式

（1）当处于无地震作用组合

（2）当处于有地震作用组合

在实际应用计算中节点核心区的受剪承载力应符合下列标准：

（1） 当处于无地震作用组合

（2） 当处于有地震作用组合

式中：

N—与地震作用组合或有地震作用组合的节点剪力设计值对应的该节点上柱底部轴向力设计值，当N为压力且当N＞0.3fcA时，取N=0.3fcA；当N为拉力时，取0字符N=0；ζN—轴压比影响系数；ζh—截面高度影响系数；ζf—翼缘影响系数。

2.3 试验研究和计算分析结果

节点核心区抗剪承载力低于同等条件下矩形柱框架节点的抗剪承载力是异形柱框架结构的短板部分，在节点承载力计算公式里要考虑翼缘的有利作用，无论是宽度还是厚度都要规范合理，保证节点组合体的延性需求，还可采取梁（水平）加腋增加节点有效截面面积，提高节点区材料强度，局部采用钢纤维混凝土作为材料，再有就是梁塑性铰外移，以上的这些办法有待深入的研究和改良。

3、异形柱节点抗剪能力的受控因素

3.1 轴压比的影响

轴压力使节点核心区抗初裂能力提高,柱的受压区面积增大，斜压杆的宽度增加,同时参与斜压杆机构的混凝土面积增大, 从而导致梁筋在给节点核心混凝土进行边缘剪力传递时把更多的部分汇入了斜压杆机构, 边缘剪力的分流降低了对节点核心混凝土开裂的影响，另外,主斜裂缝与水平方向的角度也随轴压力的提高而增大。轴压力也使节点核心区的混凝土受到较强的累积损伤效应, 利弊相抵，轴压力对节点的通裂和极限荷载提高不明显。

3.2 节点核心配箍率的影响

箍筋的质量和配箍率对节点核心区抗剪承载力影响很大，但初裂剪力并不能让箍筋产生较大的反抗，因为初裂时节点剪力 Vj受控于混凝土的抗拉强度，只有形成裂缝之时，箍筋将受到较大的剪力作用，甚至难以支持，此时桁架机构产生作用，箍筋有效地进行节点剪力的抵抗。

3.3 柱截面高度变化的影响

截面是力的承受区域，异型中节点核心区域有上下柱截面和左右梁截面，由于截面面积位置不同会对节点核心开裂造成影响。初始期裂缝出现位置在节点“小核心”区域,由此可以导致初裂荷载降低，幅度在30%左右,对通裂荷载影响不大。因此常规节点与异型节点相比，通裂后节点核心对节点剪力的持续增长仍具有很高的承担能力。

4、异形柱设计的合理化建议

4.1 纵向钢筋和箍筋需合理配比

在实际设计中，HRB400、HRB335级钢筋适合用于处于纵向受力状态的钢筋；箍筋通常为HRB335、HRB400、HPB235级别的钢筋。当处于相同受力截面时要求纵向受力钢筋直径相同,直径范围在14mm到25mm之间。异形柱内折角部位采用纵向受力钢筋。纵向钢筋间距设计要求：对于Ⅱ、Ⅲ级抗震等级设计要求不大于200mm；对于Ⅳ级设计要求不大于250mm；对于非抗震设计情况下应不大于300mm。要根据实际设计要求具体确定纵向受力钢筋的间距，如果有不能满足上述几种情况的要求时，要设置直径不应小于12mm的纵向构造钢筋和间距与箍筋相同的拉筋以保证达到设计标准。异形柱设计中不许采用有内折角的箍筋，要采用复合箍筋的形式。对于非抗震设计，异形柱的箍筋直径设计要求为不小于0.25d(d为纵向受力钢筋的最大直径)，且不应小于6mm；要求箍筋间距不大于250mm，但是要保证不大于柱肢厚度和15d(d为纵向受力钢筋的最小直径)；与此同时还要考虑受力钢筋的配筋率对箍筋直径的影响，在柱中纵向受力钢筋总体的配筋率在3%以上时，箍筋直径设置为不小于8mm，间距设置为不大于200mm，并且要保证不大于1Od(d为纵向受力钢筋的最小直径)；而此时箍筋肢距确定标准为不大于300mm。

在实际设计时，针对异形柱加密区箍筋的设置要注意以下几点：

①对于剪跨比不大于2的柱和因设置填充墙等原因所导致柱净高与柱肢截面高度之比不大于4时，我们在设计过程中，这两种柱箍筋没有全长加密。

②在Ⅲ、Ⅳ级抗震设计要求下，对箍筋加密区最大间距有相应的标准规定，其中之一是“应小于等于纵向钢筋直径的7倍”。所以我们在设计时，如果出现纵向钢筋直径为12mm或者14mm的情况，就要保证箍筋在加密区最大间距不超过84mm和98mm。针对当前的规程，在对“纵向钢筋”的解读时有 “纵向受力钢筋”和“纵向构造钢筋”两种说法，我们在“箍筋间距与纵筋直径之比s/d”中说的是 “纵向受力钢筋”。而在现实当中，我们要和当地有关部门进行沟通和审查，详细说明，以免产生误区。

4.2 对于节点核心区抗剪承载力超限问题的建议

为了规避梁柱节点核心区受剪承载力不足的情况出现，根据《混凝土异形柱结构技术规程》中5.3.5框架梁柱节点核心区组合的剪力设计值的计算公式（5.3.5-1、5.3.5-2、5.3.5-3、5.3.5-4） 进行实际的操作，分步完成，大体步骤为：

①根据实际合理的对柱的计算高度进行减小。

②增加处于梁柱节点位置梁的截面有效高度和截面高度。

③对节点左、右两侧梁端弯矩设计值合理的减小。

一般情况下柱布置之时进行柱子的转角，可以使我们用PKPM等一些设计软件对结构建模分析的时候，达到操作方便和减小截面类型的目的，要根据原截面定义时的方向检测超限方向，不能单一的以某个节点不出现超限为主体进行设计，要宏观控制，根据结构布置、梁柱截面合理的把握结构整体刚度分布，务必保证均匀性。

4.3 对轴压比限值的分析

与矩形柱相比，对单调荷载，尤其是在低周反复荷载作用下，异形柱的粘结破坏严重性较高，而且比普通矩形柱延性要差，在天津《规程》里根据剪跨比，结构体系，截面类型、箍筋间距与筋直径比s/d、箍筋直径d和抗震等级确定波动区间为0.3～0.7。在实际应用当中，我们应在程序试算后，对各柱的轴压比按照上述的条件综合确定其具体限值，要保证各层柱的轴压比不超限，仔细对配筋简图每一个计算轴压比进行核检。在此过程中要采用人工的核算方式，一一核算。对于实际设计过程中出现的柱截面高度与宽度的比值不大于4而柱截面宽度为200mm如：700mm×200mm的一字形矩形柱，其截面类型延性较弱，要结合短肢剪力墙和异形柱的规定，更严格的确定其轴压比。

结论：

在实际应用过程中，我们对地震区节点受剪承载力计算公式的定位要准确合理，不要简约大概的模式与思维，要针对可能出现的问题和工程实际，合理分析，科学设计，有以下几点需要注意：

（1）当异形柱框架结构处于不对称情况时，要进行扭转对其受力的影响；

（2）合理的分析异形柱框架结构在地震作用下的弹塑性变化；

（3）根据实际情况考虑，设置抗震墙，要合理适量；

（4）开发更实用性的软件，应用于异形柱框架结构的截面设计方面。

[1]黄明智.建筑结构设计中的异形柱节点受力特点分析[J].科技创新与应用，建筑科学，2012（05）,206.

[2]刘祖强.型钢混凝土异形柱框架抗震性能及设计方法研究[J].西安科技大学，博论，2012（05）.

[3]中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部・进一步提高多层及高层结构设计程序.(建筑结构).