異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮耀寧

（廣州市科城建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510663）

1 前言

近年來(lái)，從多層框架結(jié)構(gòu)衍生發(fā)展的異形柱框架結(jié)構(gòu)因其能較好地滿足建筑使用上和結(jié)構(gòu)性能上的要求，而逐漸得到了推廣應(yīng)用。異形柱框架結(jié)構(gòu)主要應(yīng)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(nèi)不出現(xiàn)柱楞，鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

具有一般矩形柱框架結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)，抗振延性好的優(yōu)點(diǎn)；兼有磚混結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使用面積增加8%～10%，同時(shí)又有效解決了磚混房屋超高的技術(shù)問(wèn)題；提供了大空間及住戶拆改裝修的便利條件。

目前，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關(guān)異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條款，設(shè)計(jì)人員所能依據(jù)的是一些地方規(guī)程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 異形在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定

今年實(shí)施的新規(guī)范中，并沒(méi)有把異形柱列入其內(nèi)，說(shuō)明國(guó)家對(duì)異形柱設(shè)計(jì)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(shí)仍應(yīng)依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，進(jìn)行截面、構(gòu)造、抗震等設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

異形柱框輕結(jié)構(gòu)平面布置的一般原則：在異形柱結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ，明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響，異形柱框架應(yīng)雙向設(shè)置，并宜縱向交聯(lián)。

豎向布置的一般原則：異形柱結(jié)構(gòu)的豎向體型應(yīng)力求規(guī)則、均勻，避免有過(guò)大的外挑、內(nèi)收以及樓層剛度沿豎向的突變。

2.2 適用高度及高寬比、長(zhǎng)細(xì)比、肢長(zhǎng)等限制

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

柱凈高與截面長(zhǎng)邊之比即長(zhǎng)細(xì)比不宜小于4 且不大于8，根據(jù)砼結(jié)構(gòu)規(guī)范，長(zhǎng)細(xì)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(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱.長(zhǎng)細(xì)比大于8，易引起附加偏心矩，對(duì)軸壓構(gòu)件及小偏心受壓構(gòu)件承載力影響較大。

根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比不直小于4，在梁高為600mm的前提下，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0m 時(shí)，異形柱的最大肢長(zhǎng)可為600mm；底層層高為4、2m 時(shí)，肢長(zhǎng)可為900mm。因此，異形柱的柱肢不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，各肢肢高與肢厚比不應(yīng)大于4，且異形柱截面肢厚對(duì)多層建筑不應(yīng)小于150mm；對(duì)高層建筑不應(yīng)小于200mm。

2.3 抗震等級(jí)

異形柱框架結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、房屋高度及抗震設(shè)防烈度采用不同的抗震等級(jí)，并應(yīng)符合相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施要求.根據(jù)浙江《規(guī)程》規(guī)定：抗震設(shè)防烈度為7 度，房屋高度<22m時(shí)，為三級(jí)抗震，高度≥22m 時(shí)，為二級(jí)抗震；抗震設(shè)防烈度為8 度，房屋高度≤25m 時(shí)，為二級(jí)抗震.浙江《規(guī)程》規(guī)定異形柱框架結(jié)構(gòu)只適用于抗震設(shè)防烈度為7 度及7 度以下的地區(qū)且房屋高度不超過(guò)35m。

異形柱框架結(jié)構(gòu)對(duì)房屋高度控制是比較嚴(yán)格的，一般僅適用于多層住宅.但由于它在結(jié)構(gòu)布置上靈活、方便，室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞、不露梁等優(yōu)點(diǎn)，使之成為近幾年住宅設(shè)計(jì)的一種潮流，不論別墅、多層甚至小高層，作為房產(chǎn)開(kāi)發(fā)商幾乎都要求設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)成鋼筋砼異形柱結(jié)構(gòu)體系，因此設(shè)計(jì)人員必須慎重對(duì)待，不可麻木跟風(fēng)，應(yīng)嚴(yán)格控制各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 異形樁受力性能特點(diǎn)及軸壓比控制

異形柱設(shè)計(jì)要比常規(guī)矩形截面柱設(shè)計(jì)復(fù)雜得多，對(duì)于偏壓構(gòu)件，矩形截面的受壓區(qū)總是矩形，內(nèi)力臂較大；而對(duì)異形柱，受壓區(qū)圖形通常比較復(fù)雜，可能為二邊形，也可能為多邊形.對(duì)于受壓區(qū)呈多邊形分布的截面，壓區(qū)邊緣砼應(yīng)力過(guò)于集中，一旦達(dá)到受壓強(qiáng)度極限，破壞區(qū)域往里滲透得過(guò)快，不利于外邊緣的砼纖維經(jīng)歷下降段，從而影響整個(gè)截面和構(gòu)件的延性。

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(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力，剪應(yīng)力使柱肢砼先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，導(dǎo)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異形柱在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶未的影響不容忽視，因此，對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計(jì)算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析，PKPM、GSCAD、TBSA 等國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)軟件均可做異形柱框架結(jié)構(gòu)計(jì)算。

但以上計(jì)算理論均基于平截面假定，未曾考慮截面翹曲自由度，對(duì)于異形柱來(lái)說(shuō)，很可能出現(xiàn)各柱肢單獨(dú)作用的情況，因此常見(jiàn)的基于平截面假定的公式受到挑戰(zhàn).而對(duì)異形柱的分析、試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)方法等一套體系還沒(méi)有完全建立起來(lái)，這就給異形柱設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度，必須在概念設(shè)計(jì)上予以加強(qiáng)。

作為異形柱延性的保證措施，必須嚴(yán)格控制軸壓比，柱應(yīng)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(shí)避免長(zhǎng)細(xì)比小于4的短柱，抗震設(shè)計(jì)中規(guī)范對(duì)框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱.天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：軸壓比對(duì)異形柱的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)普通矩形柱的影響，因此異形柱的參數(shù)控制應(yīng)比框肢柱更為嚴(yán)格。

4 異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造

4.1 框架柱

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

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

框架柱中全部縱向受力鋼筋的配筋率：抗震等級(jí)為2 級(jí)時(shí)，中柱、邊柱不應(yīng)小于0.7%，角柱不應(yīng)小于0.9%；抗震等級(jí)為3 級(jí)時(shí)，中柱、邊柱不應(yīng)小于 0.6%，角柱不應(yīng)小于0.8%.框架柱中全部縱向鋼筋的配筋率，抗震設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)Ⅱ、Ⅲ級(jí)鋼筋不宜大于3%。

框架柱應(yīng)采用復(fù)合箍，嚴(yán)禁采用具有內(nèi)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(zhǎng)度不應(yīng)小于10d(d 為箍筋直徑)。

箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度取柱截面的長(zhǎng)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(nèi)，箍筋的直徑不變，間距100mm。

4.2 框架節(jié)點(diǎn)

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(cè)凸出柱邊小于50mm 時(shí)，在梁四角上的縱向受力鋼筋應(yīng)在離柱邊大于800mm處，且滿足小于1/25 坡度的條件下向柱筋內(nèi)側(cè)彎折伸入框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)。

當(dāng)框架梁的截面寬度的任一側(cè)凸出柱邊大于等于50mm 時(shí)，則該側(cè)梁角上的縱向受力鋼筋可在本肢柱筋外側(cè)伸入梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)。

4.3 柱與填充墻的連接

異形柱框架結(jié)構(gòu)的填充墻應(yīng)采用輕質(zhì)墻體材料，并必須與框架可靠地連接.當(dāng)采用砌體填充墻時(shí)，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(dāng)倍數(shù)，用鋼筋與柱拉接，鋼筋由柱的每邊伸出，進(jìn)入墻內(nèi)的長(zhǎng)度：2 級(jí)抗震時(shí)沿填充墻全長(zhǎng)設(shè)置；3 級(jí)時(shí)不小于填充墻長(zhǎng)的1/5 及700mm，填充墻的砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 M2.5。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化不斷深入，今后將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求。異型柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家規(guī)范，這說(shuō)明還有許多基礎(chǔ)性工作沒(méi)有完成，但在實(shí)際工程中異型柱框架結(jié)構(gòu)卻大量應(yīng)用，這就需要設(shè)計(jì)人員從該體系基本特征出發(fā)，認(rèn)真進(jìn)行內(nèi)力分析計(jì)算。并結(jié)合不同截面形式的異型柱進(jìn)行承截力計(jì)算，注意把握有關(guān)構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)，處理好一系列結(jié)構(gòu)構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，不斷地完善、充實(shí)、發(fā)展異型柱框架結(jié)構(gòu)體系的有關(guān)設(shè)計(jì)理論。

[1]GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Is].[2]GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[s].