異型柱框架結構的扭轉效應計算

楊　敏

摘 要：筆者通過對比多個本人設計的一般框架結構和異形柱框架結構項目后發(fā)現，異形柱框架結構對地震力的扭轉效應較一般框架結構要敏感得多，通過進一步分析筆者還發(fā)現，對于一般較規(guī)則的異形柱框架結構，在地震力作用下，只考慮偶然偏心時異形柱框架結構的內力往往比只考慮雙向地震時的內力還要大，本文就此問題探討規(guī)范相關條文的合理性及提出相關設計的合理化建議。

關鍵詞：異形柱；扭轉不規(guī)則；偶然偏心；雙向地震

異形柱框架結構這種結構形式由于可以做到室內空間不露柱，現今在別墅等低層、多層住宅中應用比較廣泛，但是由于梁柱節(jié)點相對薄弱等固有特性，給設計及施工都帶來比較大的難度，筆者通過對比多個本人設計的一般框架結構和異形柱框架結構項目后發(fā)現，異形柱框架結構對地震力的扭轉效應較一般框架結構要敏感得多。

《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》JGJ 149--2006 有如下規(guī)定：

“異形柱結構的地震作用計算，應符合下列規(guī)定：在計算單向水平地震作用時應計入扭轉影響；對扭轉不規(guī)則的結構，水平地震作用計算應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響?！?/p>

關于這條規(guī)定，規(guī)范第二部分的條文解釋如下：國內外歷次大地震的震害、試驗和理論研究均表明，平面不規(guī)則，質量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結構，扭轉效應可能導致結構嚴重的震害，對異形柱結構尤其需要在抗震設計中加以重視。條文中所指“扭轉不規(guī)則的結構”，可按現行國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011有關規(guī)定的條件(即扭轉位移比大于1.20)來判別，此時異形柱結構的水平地震作用計算應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響，并可不考慮質量偶然偏心的影響；而計算單向地震作用時則應考慮偶然偏心的影響。

根據規(guī)范規(guī)定及結合條文分析，我們不難得出如下結論：對于扭轉規(guī)則結構（即扭轉位移比不大于1.20），可僅計算單向地震作用，同時考慮偶然偏心來計算結構的扭轉效應；對于扭轉不規(guī)則結構（即扭轉位移比大于1.20），應計算雙向地震作用來考慮扭轉效應，此時可不再考慮偶然偏心。很顯然，根據規(guī)范的條文理解，計算雙向地震作用應該是比計算同時考慮偶然偏心的單向地震作用更為不利。

但是筆者通過進一步分析設計過的多個異形柱框架結構項目發(fā)現，對于一般較規(guī)則的異形柱框架結構，在地震力作用下，只考慮偶然偏心并計算單向地震作用時異形柱框架結構的內力往往比只計算雙向地震作用但不同時考慮偶然偏心時的內力還要大，尤其是邊榀柱配筋的差別尤其明顯。

關于偶然偏心計算，《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011-2001有如下規(guī)定：

“建筑結構估計水平地震作用扭轉影響時，應按下列規(guī)定計算其地震作用和作用效應： 1.規(guī)則結構不進行扭轉耦聯計算時，平行于地震作用方向的兩個邊榀，其地震作用效應應乘以增大系數。一般情況下，短邊可按1.15采用，長邊可按1.05采用；當扭轉剛度較小時，宜按不小于1.3采用?！?/p>

據此規(guī)定我們不難理解考慮偶然偏心時結構邊榀內力較大的現象，因為規(guī)范本來就是用放大邊榀內力的方法來近似考慮偶然偏心作用的。但是也不難看出，這種方法是具有一定局限性的。因為按上面分析《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》JGJ 149-2006相關條文得出的結論，計算雙向地震作用應該是比計算同時考慮偶然偏心的單向地震作用更為不利的，同時規(guī)范應該是認為考慮雙向地震作用能更準確地計算結構在地震力作用下的扭轉效應，但是通過實際工程的計算結果表明，只考慮偶然偏心并計算單向地震作用往往比只計算雙向地震作用但不同時考慮偶然偏心更不利，所以這個結論的前半部分顯然不能成立。而結論的后半部分通過分析規(guī)范的計算公式及相關條文解釋，筆者認為應該是成立的：就是考慮雙向地震作用能比考慮偶然偏心更準確地計算結構在地震力作用下的扭轉效應。

通過以上分析得出的結論，筆者認為在異形柱框架結構的設計工作中，對于扭轉規(guī)則結構（即扭轉位移比不大于1.20），當采用考慮偶然偏心來計算結構的扭轉效應時，如果邊榀梁柱配筋太大，造成設計及施工困難，可改為計算雙向地震作用來考慮扭轉效應。這里有一個原因是考慮雙向地震作用能比考慮偶然偏心更準確地計算結構在地震力作用下的扭轉效應，還有一個很重要的原因就是異形柱框架結構節(jié)點相對薄弱的固有特性。為了更好的說明這個問題，舉個簡單的工程實例，七度區(qū)，二類場地土，2層異形柱框架結構，柱肢厚度和梁寬度均為200mm，考慮偶然偏心時邊榀柱縱筋和梁縱筋往往都需要配到22mm、25mm直徑鋼筋，有時配筋甚至大到用25mm直徑鋼筋都配不下。假設節(jié)點處梁柱配筋均為2根22mm直徑的鋼筋，柱保護層厚度取30mm，節(jié)點混凝土厚度只剩下200-4x22-2x30=52mm，這還是最理想的狀態(tài)，算上施工誤差，50mm都很難保證，這么小的一塊節(jié)點如何保證施工質量？就算施工隊水平真的很高，能保證施工質量，這樣的節(jié)點在地震作用下能做到強節(jié)點嗎？筆者對于這種結構的抗震延性持有很大的懷疑態(tài)度。

作為一個合格的結構設計工程師，不能生搬硬套規(guī)范條文，而應該是理解和利用規(guī)范條文來指導結構設計工作；結構設計師應該多下工地，多了解現場情況，千萬不能天馬行空，設計出來的結構雖然滿足了規(guī)范要求，但是實際可行性卻很差。

參考文獻

[1]《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》JGJ 149-2006.

[2]《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011-2001.

[3]《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2002.