異形柱框架結構設計問題分析

石瑞吉

摘 要：通過介紹異形柱、短肢剪力墻的區(qū)別，異形柱框架結構設計的一般規(guī)定、受力特點及軸壓比控制，異形柱框架結構設計的構造措施，并提出建議，供結構設計人員參考。

關鍵詞：異形柱；短肢剪力墻；長細比；短柱；軸壓比；構造

1 前言

近年來，從多層框架結構衍生發(fā)展的異形柱框架結構因其能較好地滿足建筑使用上和結構性能上的要求，而逐漸得到了推廣應用。異形柱框架結構主要應用于多層住宅，填充墻采用粉煤灰加氣混凝土砌塊，厚度與異形柱(T形邊柱，十字形中柱，L形角柱等)肢厚相同，室內不出現(xiàn)柱楞，鋼筋混凝土異形柱框架結構有如下特點：(1)具有一般矩形柱框架結構整體性較強，抗振延性好的優(yōu)點。(2)兼有磚混結構的優(yōu)點，使用面積增加8％～10％，同時又有效解決了磚混房屋超高的技術問題。(3)提供了大空間及住戶拆改裝修的便利條件。

目前，現(xiàn)行國家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關異形柱結構設計的條款，設計人員所能依據(jù)的是一些地方規(guī)程，主要是浙江省標準<<鋼筋混凝土異形柱設計規(guī)程》和杭州市<<大開間住宅鋼筋混凝土異形柱框輕結構技術規(guī)程》。結構設計人員在設計中常會遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題，需要設計人員積累經(jīng)驗，利用正確的概念進行設計。

2 異形在結構設計的一般規(guī)定

今年實施的新規(guī)范中，并沒有把異形柱列入其內，說明國家對異形柱設計是非常慎重的，能夠借鑒的也只有上面提到的兩地方規(guī)程，同時仍應依據(jù)我國現(xiàn)行標準中的規(guī)定，進行截面、

構造、抗震等設計。

2．1 結構布置

異形柱框輕結構平面布置的一般原則：在異形柱結構的一個獨立結構單元內，宜使結構平面形狀和剛度均勻對稱，明顯不對稱的結構應考慮扭轉對結構受力的不利影響，異形柱框架應雙向設置，并宜縱向交聯(lián)。

豎向布置的一般原則：異形柱結構的豎向體型應力求規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑、內收以及樓層剛度沿豎向的突變。

2．2 適用高度及高寬比、長細比、肢長等限制

(1)異形柱根架在7度抗震設防烈度區(qū)，要求房屋高度不大于35m，高寬比不宜超過5；8度區(qū)房屋高度不大于25m，高寬比不宜超過4。

(2)柱凈高與截面長邊之比即長細比不宜小于4且不大于8。根據(jù)砼結構規(guī)范，長細比小于4即短柱，短柱在壓剪作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞，設計中應盡量避免出現(xiàn)短柱．長細比大于8，易引起附加偏心矩，對軸壓構件及小偏心受壓構件承載力影響較大。

(3)根據(jù)長細比不直小于4，在梁高為600 mm的前提下，當標準層層高為3．0m時，異形柱的最大肢長可為600mm；底層層高為4、2m時，肢長可為900mm。因此，異形柱的柱肢不應過長，各肢肢高與肢厚比不應大于4，且異形柱截面肢厚對多層建筑不應小于150mm；對高層建筑不應小于200mm

2．3 抗震等級

異形柱框架結構應根據(jù)結構類型、房屋高度及抗震設防烈度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造措施要求．根據(jù)浙江《規(guī)程》規(guī)定：抗震設防烈度為7度，房屋高度<22m時，為三級抗震，高度≥22m時，為二級抗震；抗震設防烈度為8度，房屋高度≤25m時，為二級抗震．浙江《規(guī)程》規(guī)定異形柱框架結構只適用于抗震設防烈度為7度及7度以下的地區(qū)且房屋高度不超過35m。

異形柱框架結構對房屋高度控制是比較嚴格的，一般僅適用于多層住宅．但由于它在結構布置上靈活、方便，室內不出現(xiàn)柱楞、不露梁等優(yōu)點，使之成為近幾年住宅設計的一種潮流，不論別墅、多層甚至小高層，作為房產開發(fā)商幾乎都要求設計院設計成鋼筋砼異形柱結構體系．因此設計人員必須慎重對待， 不可麻木跟風，應嚴格控制各項設計參數(shù)。

３ 異形樁受力性能特點及軸壓比控制

(1)異形柱設計要比常規(guī)矩形截面柱設計復雜得多，對于偏壓構件，矩形截面的受壓區(qū)總是矩形，內力臂較大；而對異形柱，受壓區(qū)圖形通常比較復雜，可能為二邊形，也可能為多邊形．對于受壓區(qū)呈多邊形分布的截面，壓區(qū)邊緣砼應力過于集中，一旦達到受壓強度極限，破壞區(qū)域往里滲透得過快，不利于外邊緣的砼纖維經(jīng)歷下降段，從而影響整個截面和構件的延性。

(2)異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態(tài)下各肢將產生翹曲正應力和剪應力，剪應力使柱肢砼先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。

(3)異形柱在水平力作用下產生的雙向偏心受壓給承載力帶未的影響不容忽視，因此，對異形柱結構應按空間體系考慮， 宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序進行內力與位移分析， PKPM、GSCAD、TBSA等國產結構軟件均可做異形柱框架結構計算。

但以上計算理論均基于平截面假定，未曾考慮截面翹曲自由度，對于異形柱來說，很可能出現(xiàn)各柱肢單獨作用的情況，因此常見的基于平截面假定的公式受到挑戰(zhàn)．而對異形柱的分析、試驗以及設計方法等一套體系還沒有完全建立起來，這就給異形柱設計帶來一定的難度，必須在概念設計上予以加強。

(4)作為異形柱延性的保證措施，必須嚴格控制軸壓比，柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，滿足抗震要求，同時避免長細比小于4的短柱．抗震設計中規(guī)范對框支柱的內力、軸壓比、配筋等的要求都嚴于普通柱．天津大學的試驗研究結果表明：軸壓比對異形柱的影響遠遠超過對普通矩形柱的影響，因此異形柱的參數(shù)控制應比框肢柱更為嚴格。

４ 異形柱框架結構設計構造

４．1 框架柱

(1)柱縱筋與箍筋設置形式有“L”、“T”、“十”及雙排布置等形式．在同一截面內，縱向受力鋼筋宜采用相同直徑，其直徑不應大于25mm，且不小于14mm：縱筋間距大于250mm時， 應設置縱向構造筋，其直徑可采用12mm，并設拉筋，拉筋間距為箍筋間距的兩倍。

(2)柱截面厚度小于200mm時，縱向受力鋼筋每排不應多于2根；肢厚在200～250mm時，每排鋼筋不應多于3根，必要時可分二排設置，二排鋼筋之間的凈距不應小于50mm。

(3)框架柱中全部縱向受力鋼筋的配筋率：抗震等級為2級時，中柱、邊柱不應小于0．7％ ，角柱不應小于0．9％；抗震等級為3級時，中柱、邊柱不應小于0．6％ ，角柱不應小于0．8％．框架柱中全部縱向鋼筋的配筋率，抗震設計時,對Ⅱ、Ⅲ級鋼筋不宜大于3％ 。

(4)框架柱應采用復合箍，嚴禁采用具有內折角的箍筋，箍筋必須做成封閉式．箍筋未端做成不小于135。的彎鉤，彎鉤端頭直段長度不應小于10d(d為箍筋直徑)。

(5)箍筋加密區(qū)長度取柱截面的長邊尺寸、層間柱凈高的1／6和500mm者中的最大值，在加密區(qū)內，箍筋的直徑不變，間距100mm。

４.2 框架節(jié)點

(1)框架梁的截面寬度與異形柱的肢寬相等或梁截面寬度每側凸出柱邊小于50mm時，在梁四角上的縱向受力鋼筋應在離柱邊大于800 mm處，且滿足小于1／25坡度的條件下向柱筋內側彎折伸入框架節(jié)點內。

(2)當框架梁的截面寬度的任一側凸出柱邊大于等于50mm時，則該側梁角上的縱向受力鋼筋可在本肢柱筋外側伸入梁柱節(jié)點內。

4．3 柱與填充墻的連接

(1)異形柱框架結構的填充墻應采用輕質墻體材料，并必須與框架可靠地連接．當采用砌體填充墻時，在框架與填充墻的交接處，沿高度每隔500mm或砌體皮數(shù)的適當倍數(shù)，用 鋼筋與柱拉接，鋼筋由柱的每邊伸出，進入墻內的長度：2級抗震時沿填充墻全長設置；3級時不小于填充墻長的1／5及700mm．填充墻的砌筑砂漿強度等級不應低于M2．5。

(2)填充墻長度大于5m時，墻頂部與梁宜有拉結措施；填充墻高度超過4m時，宜在墻高中部設置與柱連接的通長鋼筋砼水平墻梁。

5 結束語

隨著我國住宅產業(yè)化、現(xiàn)代化不斷深入，今后將會對結構設計提出更高的要求。異型柱結構設計目前還沒有統(tǒng)一的國家規(guī)范，這說明還有許多基礎性工作沒有完成，但在實際工程中異型柱框架結構卻大量應用，這就需要設計人員從該體系基本特征出發(fā)，認真進行內力分析計算。并結合不同截面形式的異型柱進行承截力計算，注意把握有關構件的配筋設計，處理好一系列結構構造，保證結構的安全性、可靠性、經(jīng)濟性，不斷地完善、充實、發(fā)展異型柱框架結構體系的有關設計理論。

參考文獻

[1]GB 50010-2002，混凝土結構設計規(guī)范Is]．

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范[s]．