建筑结构设计中的异形柱节点受力特点分析

建筑结构设计中的异形柱节点受力特点分析
摘要：本文主要就异形柱节点的分类、异形柱框架节点受力特点及异形柱节点抗剪原理进行分析。

关键词：异形柱；结构设计；节点；框架节点
Abstract: in this paper, the classification of special-shaped columns node, special column frame node mechanical characteristics and special-shaped columns node shear principle for analysis.
Keywords: special-shaped columns; Structure design; Node; Framework node
引言
随着我国经济的不断发展以及人民生活水平的不断提高，建筑行业也在这种事态下，不断地发展着，而人们对建筑的功能要求越来越高，尤其是对于供人们日常起居的住宅的要求。

其不仅需要满足实用的要求，还应美观、舒服的要求。

对于一些砖混结构较小的开间和普通框架结构外露的框架柱已不易被想要购买住宅的业主接受。

因此，异形柱的应用就逐步趋向广泛，尤其是对框架异形柱的结构体系的研究与应用就变得尤为重要。

异形柱即是以“T”形、“L”形、“十”字形的异形截面柱来代替一般框架柱作为竖向支撑构件而构成的结构，这样做可以避免框架柱在室内凸出，增加空间空间利用率，给建筑设计以及使用功能带来灵活性和方便性。

异形柱结构与普通柱不同之处在于，异形柱的肢厚小，钢筋较密处的受力情况较为复杂，这也给结构分析带来了一定难度，受力特点特别复杂的就是异形柱框架结构节点核心区受力。

因此，本文主要就异形柱框架结构节点受力特点及异形柱节点抗剪原理进行分析。

1．异形柱节点分类
节点就是指梁与柱的交汇处，它属于梁高范围的柱段。

节点最主要的作用是将本层以及上一层的荷载和作用(例如地震，风)有效地传递到下层的柱中去。

因而节点核心区的作用力包括了与节点相连接的梁端和柱端的弯矩、轴力、剪力甚至扭矩等等，其受力特点比较复杂。

按所在位置分可把异形柱的节点分为中间节点和端节点，而中间节点和端节点又指的是中间层的节点和顶层的节点；按满足被连接构件的受力特性分，异形柱节点可分为两大类型：
第一类型：结构承受重力荷载以及一般的风荷载时，按承载能力极限状态设计所连接的构件(梁、柱)，只要求节点满足所连接构件的承载力要求即可。

第二类型：结构承受地震作用的情况下，需要满足节点所连接的构件在反复变形的作用下进入非弹性阶段而又必须维持一定的承载力的要求。

对于矩形截面柱框架，一般情况下，l类节点不要求对节点核心区进行受剪承载力验算，只须
满足构造要求和配置一定数量的水平箍筋，而2类节点，对一、二级抗震等级必须对节点核心区进行受剪承载力验算并应满足抗震构造措施要求，对三、四级抗震等级则只须满足抗震构造措施要求。

2．异形柱框架节点受力特点
近年来，各所知名大学对近50个异形柱框架梁柱节点进行了试验研究，其中第一次对顶层的边节点和中节点进行了翼缘宽度影响的试验研究。

2．1 异形柱框架节点受力机理
异形柱节点的破坏主要集中于“小核心”区，所以，应以“小核心”为单元对异形柱节点的抗剪能力进行研究。

异形柱节点的抗剪能力主要由“小核心”为单元的混凝土的抗剪能力和箍筋的抗剪能力两部分成。

而异形柱节点的“小核心”区与普通节点一样斜压杆、桁架和约束机构3种传力机构都同时存在着。

它们在传递节点剪力时的作用不相同，在梁端的正反向加载力后，其受力特征具有不对称性，所以斜压杆、桁架和约束机构的作用大小不同于普通的节点。

由于这3种传力机构所承担的剪力在不断地发生变化。

而影响节点混凝土斜向受压破碎的主要因素包括（1）剪压比的大小。

因为剪压比越大节点剪力越大由斜压杆机构和桁架机构形成的混凝土斜向压应力也越大。

（2）节点区上下部梁筋的粘结情况。

上部梁筋粘结越差桁架机构越退化，梁筋弯弧对混凝土的斜压力越大，节点也越易沿受力较大的方向斜向压碎，虽然下部梁筋较少其拉力不致使节点沿受力较小方向压碎，但梁下部纵筋锚固端的大部长度分位于较薄的节点腹板内又不像上部梁筋那样外侧有板的保护。

2．2 异形柱框架节点抗剪承载力计算公式
计算公式的依据是以“节点更强”为设计原则的，节点的核心区应该保证一定的安全储备。

由于在异形柱节点核心区通裂后，节点的承载能力迅速进入极限状态，而外荷载的增幅有限，裂缝宽度过大对于结构的耐久性具有重大的影响。

“小核心”是决定异形柱节点核心承载力的关键，各种机理对“小核心”这个基本单元仍然适用。

异形柱节点抗剪承载力计算公式的节点核心区受剪的水平截面应符合下列条件：
①无地震作用组合：
②有地震作用组合：
节点核心区的受剪承载力应符合下列规定：
①无地震作用组合：
②有地震作用组合：
式中：N为与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N>O．3fcA时，取N=0．3fcA；当N为拉力时，取N=O；为轴压比影响系数；为截面高度影响系数；为翼缘影响系数。

3.节点抗剪原理
由于异形柱的节点与矩形柱节点都是以钢筋和混凝土为材料，并且构造方式相似，因此普遍认为异形柱节点的抗剪原理与矩形柱节点抗剪原理相似。

前面我们提到，节点受力机理是通过三种传力机构即斜压杆机构、桁架机构和约束机构(约束效应)来实现的，而这三个机构就是节点受剪时产生的力，即节点的抗剪机理。

斜压杆的抗剪形式机构如图1(a)所示，梁柱端受压区混凝土的压力，在抵消了相应部分的柱端及梁端剪力后，所余的大部分力将会在节点的核心区域斜向一定的宽度范围内合成为斜向的压力，从而就形成了以传递斜向压力为功能的斜压杆机构。

桁架机构的抗剪形式如图l(b)、(C)所示，由梁柱筋贯穿阶段通过粘结传给四周混凝土的剪应力，在抵消了相应部分的柱端、梁端剪力之后，所余部分将从节点核心区周边传入核心区混凝土，并在整个核心区内形成较均匀的剪力场。

在主拉应力导致核心区混凝土斜向开裂之前，主拉应力及主压应力均主要由混凝土承担。

当形成的混凝土主拉应力较高，并引起节点斜向交叉开裂后，平行裂缝方向的主压应力继续由裂缝之间的混凝土承担，主拉应力则由平行节点受力平面的节点水平箍肢和同一平面内的竖向柱筋分担。

以上所述的。

斜压杆机构”和”桁架机构”是直接参与抵抗节点剪力的两种机构。

图1中间节点抗剪传力机构
约束机构节点核心区中的斜压混凝土将沿与其受压方向垂直的另外两个方向膨胀，这种膨胀从节点开始受力起就受到节点水平箍筋各肢的约束，并在各箍肢中形成被动的约束拉力。

因此节点水平箍筋各肢将形成对斜压混凝土的约束机构。

节点上下左右梁、柱筋的粘结退化使桁架机构抵抗节点剪力的份额下降，由桁架机构在节点水平箍筋中引起的拉应力也相应下降。

这正好为箍筋发挥约束作用留下了余地。

结束语
异形柱结构有诸多的优点，只要充分地了解其受力特性、抗震性能，合理地进行结构布置和正确地进行计算分析，就可以将其广泛地应用在建筑中。

但是对地震区节点受剪承载力计算公式不能简单地考虑成承载能力极限状态的受剪载力问题，在节点的设计中要关注在强震作用下，梁端或柱端出现塑性铰产生较大非弹性变型一即在吸收和耗散地震能量的过程中节点是否发生受剪破坏，从而不仅要考虑“承载力”而且必需考虑节点所连接的构件能否满足或实现结构吸收和耗散地震能量的延性要求。

但在异形柱的设计中，试验研究数量较少，有许多问题需要进一步的深入研究，例如
(1)如何使用简单又能准确地反映节点抗剪强度的计算公式的研究；
(2)高性能混凝土异形柱框架梁柱节点抗震性能试验研究；
(3)异形柱框架结构顶层粱柱边、中节点抗震性能试验研究。

(4)方便施工的梁纵筋在节点内锚固措施与构造要求研究；
(5) 异形柱轴压比、翼缘宽度对节点抗剪强度影响的研究。

参考文献
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