设计汇 | 简析新版《混凝土异形柱结构技术规程》对别墅类产品结构选型的影响

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引言



从住宅产品开发的角度来看,异形柱结构因其结构布置灵活、结构构件对空间影响小、增加室内使用空间、综合经济性好等诸多优点,在别墅类产品中得到广泛应用。《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ149-2017)(以下简称17版规程)于 2017年12月1日起正式实施,新版规程对别墅类产品的结构选型有哪些影响?下文对此做一下简要分析。


一、 异形柱结构的优缺点

异形柱是截面几何形状为L形、T形、十字形和Z形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。异形柱结构是采用异形柱的框架结构和框架—剪力墙结构。


图1 各类型的异形柱


1. 异形柱结构的主要优点:

1) 柱肢的厚度与填充墙的厚度相等且柱肢较短,柱不突出在墙面,与矩形框架柱相比,墙面平整美观,便于家具布置,增加了室内的空间利用率,异形柱框架结构较矩形框架结构增加约1%的使用面积。由于异形柱结构布置灵活,对于空间灵动性产品、全生命周期产品有很好的适应性。


图2 异形柱结构墙面平整美观


2) 由于采用异形柱承重,墙体只起填充作用,因而对墙体材料的强度要求较低,墙体的厚度可以做得较薄,与砌体结构房屋相比,可增加7%~10%的使用面积。填充墙可采用轻质材料,不但有利于保温隔热,还有利于减轻建筑重量,减少基础造价,对结构的抗震也十分有利。

3) 与砌体结构房屋相比,异形柱结构房屋受力性能较好,窗间墙尺寸、楼板开洞率等受限较少,增加采光面积,结构布置也更加灵活。


2. 异形柱结构的主要缺点:

1) 与矩形柱结构相比,异形柱结构的混凝土用量增加4%~6%,钢筋用量约增加5%~9%,造价比矩形柱结构略高,也高于带构造柱的砌体结构房屋。

2) 异形柱由于多肢的存在,其剪力中心与截面形心往往不重合,异形柱的裂缝比普通矩形柱出现得早,变形能力比矩形柱低。因此,异形柱结构在轴压比、最大建筑高度以及抗震设防烈度等方面都将受到较大的限制。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。

3) 为了保证异形柱不突出墙面,异形柱的柱肢厚度与梁的宽度都较小(一般为200mm),柱内钢筋较密,尤其是梁柱节点核心区钢筋更为密集,给施工带来了一定的困难。


图3 异形柱节点核心区钢筋密集


3. 异形柱结构的适用范围:

1) 适用高度:17版规程表3.1.2规定了异形柱结构在不同抗震烈度下适用的最大高度。由于别墅类产品基本均为3层及3层以下,房屋高度小于12m,从适用高度上来说,别墅类产品基本上均可采用异形柱结构。


表3.1.2 混凝土异形柱结构房屋适应的最大高度(m)注:房屋高度超过表面规定的数值时,结构设计应有可靠依据,并采取有效的加强设施。


2)适用柱网:由于异形柱结构的柱肢厚度与梁的宽度较小,柱网尺寸较大时梁内、柱内及节点核心区钢筋密集的问题会尤为突出,造成施工困难,因此柱网尺寸不宜大于6.6m。


二、 异形柱结构应用概述

笔者采用“大数据”的方式总结了近三年别墅类产品的结构形式,并对总结的数据进行分析,具体详见下表:


表1 别墅类产品的结构形式统计
图4 别墅类产品各种结构形式占比
图5 不同抗震设防烈度的别墅类产品结构形式


从以上图表分析可以看出,异形柱框架结构在6度区、7度区(0.10g)三层及以下的别墅类产品中有较多的应用,成为结构选型的常规选择;而在7度区(0.15g)、8度区没有应用。


三、 17版规程修订的内容

《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ149-2017)修改的主要技术内容有:

1)增加了8度(0. 30g)抗震设防地区异形柱框架—剪力墙结构的相关规定。

2) 此次修订新增了肢端设暗柱的异形柱,用于受力复杂、不利的结构部位。

3)增加了异形柱结构杭连续倒塌设计和结构隔震的原则规定。

4)新增了500MPa级高强钢筋应用、Z形柱、肢端暗柱、节点区采用纤维混凝土和锚固板等技术规定。

5)修订了考虑二阶效应的正截而承载力和节点受剪承载力等计算相关条文。

6)调整了异形柱结构房屋适用最大高度、抗震等级、轴压比限值、纵向受力钢筋最小配筋率、混凝土保护层厚度和异形柱结构施工及验收的相关规定。

结合别墅类项目对异形柱结构的应用情况,笔者对17版规程中异形柱框架的相关规定做了摘录和分析。

1. 重要部位的异形柱肢端(转角处)增设暗柱。17版规程条文6.2.15:一、二级抗震等级的房屋角部异形柱以及地震区楼梯间,异形柱肢端(转角处)应设暗柱(图6.2.15)。肢端(转角处)设暗柱时,暗柱沿肢高方向尺寸不应小于120mm。暗柱的附加纵向钢筋直径不应小于14mm,可取与纵向受力钢筋直径相同;暗柱的附加箍筋直径和间距同异形柱箍筋,附加箍筋宜设在异形柱两箍筋中间。


图6 17版规程中异形柱肢端暗柱构造规定

以采用异形柱框架结构的双拼的某项目二层合院产品为例,需要设置肢端暗柱如图7、图8所示。


图7 二层合院A2户型图
图8 需要设置肢端暗柱的异形柱框架柱示意图(一层)注:抗震等级为一、二级:紫色填充+蓝色填充;抗震等级为三、四级:紫色填充。
图9 需要设置肢端暗柱的异形柱框架柱示意图(二层)
图10 设置肢端暗柱异形框架柱实例


由图9实例可以看出,肢端暗柱的纵筋可以利用异形柱的纵筋,设置肢端暗柱对钢筋用量的影响主要体现在附加箍筋上,对于L型异形框架柱,箍筋增量约为77%,对于T型异形框架柱,箍筋增量约为37%。综合测算下来,对于抗震等级为二级的异形柱框架结构,箍筋增量约为70~90%,折合增加用钢量约为7~8kg/m²; 对于抗震等级为三、四级的异形柱框架结构,箍筋增量约为30~50%,折合增加用钢量约为2.5~4kg/m²。

表2 肢端暗柱箍筋增量分析


2. 异形柱最小配筋率的控制。17版规程区分了不同的结构类型中框架柱最小配筋率的不同,同时增加了一级抗震等级柱最小配筋率的控制,另外最小配筋率限值也做了修改。17版规程还要求控制异形柱中每一段墙肢的最小配筋率为0.2%或0.4%。抗震等级为二级(8度区及7度0.15g地区Ⅲ、Ⅳ类场地的异形柱框架)的异形柱框架结构中框架柱构造最小配筋由06版规程的0.8%提高到0.9%。由于抗震等级为二级的异形柱框架结构的大部分异形柱均为计算配筋控制,而且实配钢筋一般都会大于计算值,因此本条调整对异形柱结构的用钢量影响较小,基本上可以忽略不计。

图11 06版规程对异形柱纵筋最小配筋率的规定注:采用HRB400级钢筋时,全部纵向受力钢筋的最小配筋百分率应允许按表中数值减小0.1,但调整后数值不应小于0.8。
图12 17版规程对异形柱纵筋最小配筋率的规定注:1.表中括号内数值用于框架结构的柱。 2.采用400MPa级纵向受力钢筋时,应按表中数值增加0.05采用。


四、17版规程对别墅类产品结构选型的影响分析

别墅类产品多为二层、三层,异形柱结构(异形柱框架结构或异形柱框架—剪力墙结构)和剪力墙结构(含具有较多短肢剪力墙结构的剪力墙结构)是在别墅类项目中应用最多的两种结构形式,下文采用分别采用二层合院,三层叠墅两个模型,针对这两种结构形式进行对比分析。

1. 二层别墅类产品结构选型分析

以上文所采用的二层合院产品为模型,所处场地类别Ⅲ类,在不同抗震烈度下对异形柱框架结构和剪力墙结构的造价进行对比分析。地上部分的结构造价对比详见图12。

图13 二层合院异形柱框架结构模型
图14 二层合院剪力墙结构模型
图15 二层合院地上部分造价对比备注:地上部分造价包含钢筋混凝土及二次结构。


由图14的造价对比可以看出,对于2层测算模型,在7度(0.1g)区,虽然17版规程导致异形柱结构造价有所增加,但还是略低于同条件下的剪力墙结构,而在抗震烈度更低的6度区,异形柱框架结构的造价优势会更加明显。对于8度(0.2g)区,异形柱框架结构的造价明显高于剪力墙结构,而且8度区异形柱框架结构增设较多的肢端暗柱,节点核心区钢筋密集,施工难度也比剪力墙结构大。

对于7度(0.15g)区,当场地类别为Ⅲ、Ⅳ类时,异形柱框架结构的抗震构造措施需要提高至二级,需要增设较多的肢端暗柱,用钢量增加幅度较大,异形柱框架结构的造价高于剪力墙结构;当场地类别为Ⅰ、Ⅱ类时,异形柱框架结构的抗震构造措施仍为三级,异形柱框架结构的造价应与剪力墙结构大致相当。

2. 三层别墅类产品结构选型分析

以一个三层叠拼产品为模型,所处场地类别Ⅲ类,在不同抗震烈度下对异形柱框架—剪力墙结构和剪力墙结构的造价进行对比分析。地上部分的结构造价对比详见图14。

图16 三层叠墅户型图
图17 三层叠拼异形柱框架—剪力墙结构模型
图18 三层叠拼剪力墙结构模型
图19 三层叠墅地上部分造价对比备注:地上部分造价包含钢筋混凝土及二次结构。


由图18的造价对比可以看出,对于3层测算模型,在7度(0.1g)区,异形柱框架—剪力墙结构造价略高于剪力墙结构,而在抗震烈度更低的6度区,二者造价基本相当。对于7度(0.15g)区,当场地类别为Ⅰ、Ⅱ类时,异形柱框架—剪力墙结构的抗震构造措施不需要提高,二者比选结论与7度(0.1g)地区相同,即异形柱框架—剪力墙结构造价略高于剪力墙结构;当场地类别为Ⅲ、Ⅳ类时,异形柱框架—剪力墙结构的用钢量增加幅度较大,异形柱框架—剪力墙结构的造价高于剪力墙结构。

对于8度(0.2g)区,异形柱框架—剪力墙结构的造价将明显高于剪力墙结构。

3. 别墅类产品结构选型建议

综合以上对17版规范条文解析和两个模型测算分析,结合近几年别墅类产品的结构选型情况, 2、3层别墅类产品的结构选型建议详见表3。

表3 2、3层别墅类产品结构选型建议


需要说明的是,由于异形柱结构的上部结构自重略小于剪力墙结构,通常异形柱结构的基础造价会略低于剪力墙结构,当二者地上部分造价相当时,可以结合地基基础的选型,综合测算比较进行结构选型。


四、 结语

本文分析了17版异形柱规程对别墅类产品的结构选型的影响,并通过对两个测算模型的选型分析,提出了2、3层别墅类产品结构选型建议,可供类似工程参考。文中如有不当之处欢迎广大有识之士给予点拨和指导!

[鸣谢]唐建军先生、陈文锋先生为本文提供了部分素材,在此感谢他们的无私帮助!


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发布于 2019-05-08