淺談異形柱結構設計

唐志強

（重慶市設計院重慶400015）

淺談異形柱結構設計

唐志強

（重慶市設計院重慶400015）

本文分析了異形柱框架結構與普通矩形柱框架結構的差異，并結合規(guī)范及作者工程設計經(jīng)驗，提出了異形柱結構設計中應注意的一些問題。

異形柱；結構設計；構造措施

1 引言

異形柱結構的研究與應用始于20世紀70年代，我國許多省市都開展了異形柱結構的推廣應用工作，發(fā)表了許多文章，編制了地方標準。異形柱結構的主要優(yōu)點是柱肢的厚度與填充墻的厚度相等且柱肢較短，避免了普通框架柱凸出室內(nèi)的缺點，擴大了建筑有效使用面積，提高了建筑布置的靈活性，改善了住宅室內(nèi)空間視覺效果，且異形柱結構較剪力墻或短肢剪力墻結構更經(jīng)濟，是我國工程技術人員和科技工作者最近30年來不斷探索與精心研究的成果。

近年來，隨著我國建筑業(yè)的迅速發(fā)展及人們對住宅建筑使用要求的不斷提高，異形柱框架結構、異形柱框架-剪力墻結構在低烈度區(qū)多層及小高層中應用越來越廣泛。

系統(tǒng)深入的理論研究和量大面廣的工程應用，為編制全國性的異形柱結構設計與施工的行業(yè)標準提供了依據(jù)。2006年，我國第一本關于異形柱結構設計與施工的行業(yè)標準《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》（JGJ149－2006）正式頒布實施。它為異形柱結構在我國的更大發(fā)展起到了推動作用。

現(xiàn)根據(jù)以往的一些工程設計經(jīng)驗，結合筆者對《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》(JGJ149-2006)的理解，就自己的認識水平和查閱到的相關資料，談談個人的觀點和學習體會。

2 異形柱結構特點及設計的基本規(guī)定

異形柱是截面幾何形狀為L形、T形、十形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。異形柱肢厚一般同墻厚，肢高不小于500mm。

與普通的矩形柱結構相比，異形柱結構存在以下主要特點：

（1）由于異形柱肢厚較小，柱肢高厚比較大，抗扭性能差，異形柱柱肢相交處應力集中，甚至產(chǎn)生嚴重的翹曲變形。因此，異形柱結構平面布置應力求簡單、對稱、規(guī)則，剛度和承載力、質(zhì)量分布均勻，縱、橫向框架柱對齊拉通，以減小地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應。對薄弱部位可合理布置部分剪力墻或一般框架柱?！痘炷廉愋沃Y構技術規(guī)程》對不規(guī)則的異形柱結構提出了更嚴格的要求（詳見規(guī)程第3.2.4條和3.2.5條）。

（2）異形柱柱肢厚度小，延性比普通矩形柱差，軸壓比是影響異形柱破壞形態(tài)以及延性的一個非常重要的因素。且異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面的形心通常不重合，各柱肢截面上除有正應力外，還有剪應力。由于剪應力的作用，使異形柱肢混凝土比普通矩形柱更易出現(xiàn)裂縫，即腹剪裂縫，導致異形柱呈現(xiàn)脆性，使異形柱的變形能力低于普通矩形柱。因此，為保證異形柱具有足夠的延性，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》對異形柱軸壓比的限值要求比《建筑抗震設計規(guī)范》對矩形框架柱的要求要嚴得多。工程設計時，應嚴格按規(guī)程的要求控制軸壓比，防止異形柱出現(xiàn)小偏壓破壞，提高異形柱的變形能力，滿足抗震要求。

（3）異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，異形柱截面形狀特殊，在雙向偏心壓力作用之下，其截面中和軸通常不與彎矩作用方向垂直，也不與截面邊緣平行，其位置隨截面尺寸、混凝土強度等級、配筋、彎矩作用方向角及大小等諸多因素變化而變化，這使得異形柱在雙向偏心壓力作用下的受力性能十分復雜。實驗研究表明：異形柱的雙向偏心受壓的正截面承載力隨荷載作用方向的不同而存在很大差異，特別是L形柱最為明顯。因此，在對異形柱結構進行計算時，必須按雙向偏壓進行計算。另外，異型柱柱肢長度不等時，異形柱在雙向偏心壓力作用下，其受力情況更加錯綜復雜，為使異形柱結構有很好的整體受力性能特別是抗震性能，異形柱宜選用等肢異型柱，當采用不等肢異型柱時，肢長、肢厚相差不應過大。

（4）考慮到異形柱受力的特點，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》對異形柱全截面最小配筋率的要求比《混凝土結構設計規(guī)范》對矩形柱的要求更加嚴格（規(guī)程第6.2.3條）。

值得一提的是，當用PKPM程序進行異形柱結構計算時，異形柱計算結果中特定位置鋼筋(及柱肢端部及柱肢重疊區(qū)域)和其余位置鋼筋分別標出，兩種鋼筋面筋之和滿足規(guī)程對異形柱全截面配筋率的要求。但筆者認為，特定位置鋼筋(及柱肢端部及柱肢重疊區(qū)域)為受力鋼筋，應滿足規(guī)程對異形柱全截面配筋率的要求，而其余位置鋼筋為分布筋，只有當受力鋼筋間距不滿足規(guī)程要求時才需要布置，且分布筋直徑采用Φ12即可。因為即使在雙向偏心壓力作用下，分布鋼筋對于異形柱抗彎承載力的貢獻要比柱肢端部鋼筋小得多。

（5）異型柱結構梁柱節(jié)點核心區(qū)域的受力性能和矩形柱節(jié)點核心區(qū)有很大區(qū)別。異形柱框架的肢厚及梁寬不大，節(jié)點核心區(qū)有效水平截面積小；同時異形柱結構較普通矩形柱結構剛度大，地震作用力也大，梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力一般來講比相同布置下的矩形柱結構大；另外，由于梁柱肢薄，施工時節(jié)點核心區(qū)鋼筋施工困難，鋼筋間距難以保證，鋼筋握裹力差，且混凝土不易振搗密實，施工質(zhì)量難以滿足。異形柱框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點的受剪承載力，是異形柱框架結構的薄弱環(huán)節(jié)。因此，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》規(guī)定在抗震設計和非抗震設計時異形柱框架節(jié)點核心區(qū)均應進行受剪承載力計算。

新版PKPM(2008版)當按異型柱結構進行計算時，程序已經(jīng)按規(guī)程中異形柱梁柱節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算公式進行復核。在實際工程中，應仔細閱讀程序計算結果，復核梁柱節(jié)點核心區(qū)受剪承載力是否滿足要求，在對異形柱進行配筋時，須注意節(jié)點核心區(qū)配筋有可能比加密區(qū)配筋大，此時如果按一般加密區(qū)配筋，將使結構存在安全隱患。

3 異形柱結構主要構造要求

根據(jù)異形柱受力的特點，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》異形柱結構的構造措施要求更加嚴格，具體要求詳見規(guī)程，筆者認為以下幾點在設計中應引起注意。

3.1 結構材料

異型柱結構中，梁、柱、墻的厚度較薄，為保證結構構件的整體與局部有足夠的強度，混凝土的強度等級不應低于C25，且不應高于C50；由于其結構構件的厚度較薄，鋼筋數(shù)量過于密集時，不但造成施工困難，混凝土也難于澆搗密實，因此，異型柱結構的縱向鋼筋宜采用高強鋼筋。

3.2 梁截面尺寸

梁截面高度太小會使柱縱向鋼筋在節(jié)點核心區(qū)內(nèi)的錨固長度不足，容易引起錨固失效，損害節(jié)點的受力性能，特別是地震作用下的抗震性能。因此，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》規(guī)定了抗震設計的異型柱框架梁最小高度為400mm，設計人員務必遵守此條規(guī)定。

3.3 柱截面尺寸

異形柱肢厚小于200mm時，會造成梁柱節(jié)點核心區(qū)的鋼筋設置困難及鋼筋與混凝土的粘結錨固強度不足，因此，異形柱截面的肢厚不應小于200mm，也不宜大于300mm。規(guī)程規(guī)定，異形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4，肢高不應小于500mm。

異形柱結構主要用于住宅建筑，一般層高為3000mm，在工程設計中一般取異形柱肢長500～600mm為宜，肢長超過600mm時易形成短柱，不利于抗震且不經(jīng)濟。

3.4 受力鋼筋最大配筋率

異形柱肢厚較薄，柱中縱向受力鋼筋的粘結強度較差，為了減少粘結破壞和節(jié)點處鋼筋設置的困難，異形柱全部縱向受力鋼筋的最大配筋率比普通矩形柱低，抗震設計時不應大于3%。

在地震作用組合內(nèi)力作用下，梁支座處縱向鋼筋有可能在節(jié)點一側受拉、另一側受壓，對于異形柱框架梁柱節(jié)點易引起縱向鋼筋在節(jié)點核心區(qū)錨固破壞。為保證梁的支座截面有足夠的延性，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》對二級、三級抗震等級的框架梁梁端的縱向受拉鋼筋最大配筋率是根據(jù)單筋梁滿足x≤h0的條件給出，與普通矩形柱框架結構不同，未考慮受壓區(qū)鋼筋的作用，其最大配筋率小于普通矩形柱框架結構的框架梁。

3.5 梁縱向受力鋼筋直徑

矩形柱框架結構的框架梁縱向鋼筋伸入節(jié)點后，其相對保護層一般較厚，而異形柱的柱肢截面厚度小，梁縱向鋼筋在節(jié)點的粘結能力小于矩形柱框架，故抗震設計時，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》對貫穿中間節(jié)點的框架梁縱筋直徑嚴于矩形柱框架結構（詳見規(guī)程第6.3.5條）。

4 異形柱結構設計中的幾點體會

筆者在以往所參與的工程設計中所碰到的異形柱結構，主要用于多層住宅建筑，在實際工程中的幾點體會供大家探討。

4.1 結構體系的選擇

《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》規(guī)定，抗震設防烈度為6度的地區(qū)，異形柱結構適用的房屋最大高度及抗震等級如表1：

表1

當某一住宅房屋高度小于21m時，若選用異形柱框架結構體系，此時異形柱框架的抗震等級為四級，由于規(guī)程對四級抗震等級的異形柱框架限制條件較少，結構設計較易滿足規(guī)程要求。

當某一住宅房屋高度小于24m、大于21m時，仍可選用異形柱框架結構體系，此時異形柱框架的抗震等級為三級?！痘炷廉愋沃Y構技術規(guī)程》對三級抗震等級的異形柱框架構造嚴于矩形柱框架結構，特別是對貫穿中間節(jié)點的梁縱向鋼筋直徑的限制，使得矛盾較突出。一般住宅層高為3000mm，框架梁截面的最大高度在600～700mm間，若異形柱肢長度取500～550mm，異形柱不會形成短柱，但此時貫穿中間節(jié)點的梁縱向鋼筋直徑要求＜20mm，框架梁支座處鋼筋有可能會較密；若取貫穿中間節(jié)點的梁縱向鋼筋直徑＞20mm，則要求異形柱肢長度＞600mm，此時異形柱較易形成短柱。對于此種情況，若采用異形柱框架-剪力墻結構，剪力墻抗震等級為三級，異形柱框架的抗震等級為四級，也許更合理。

4.2 異形柱的截面形式

《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》規(guī)定異形柱是截面幾何形狀為L形、T形、十形，未包括一字形及Z形柱。

水平荷載作用下結構中的柱一般都受到兩個方向的彎矩同時作用，“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大，其受力后的表現(xiàn)可想而知?！耙弧毙沃陔p向剪力作用下的性能也不好，如沿“一”形柱短邊方向有梁與其相連，則此梁柱節(jié)點的核心區(qū)面積很小，節(jié)點核心區(qū)受剪承載力差?？紤]到“一”形截面異形柱的受力性能不好，研究工作不多，規(guī)程未將其列入。

在實際工程中，常常不可避免需采用一字形截面異形柱，如何設計才能保證結構的安全？《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》允許工程中采用一字形短肢剪力墻，筆者認為，對于一字形截面異形柱，可以參照《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中對一字形短肢剪力墻的規(guī)定，并采取比一字形短肢剪力墻更為嚴格的要求。例如，控制一字形截面異形柱的數(shù)量，適當加大縱向鋼筋最小配筋率和箍筋最小配箍率，在截面的端部設置暗柱，對軸壓比進行嚴格控制等。

在實際工程中，常會遇到需要設置Z形柱的情況，《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》未作出規(guī)定，以下方法可供參考：若有條件可將Z形柱肢適當加長，使其成為短肢剪力墻，按短肢剪力墻建模及構造處理。另外，Z形柱受力較大時，易在中間肢劈裂（極限狀態(tài)），其受力接近兩個L形柱，按兩個L形柱處理較為合適。在PMCAD輸入時將其按兩個L形柱來輸入并在兩柱中間設置剛性梁連接。

總之，異形柱結構由于其在滿足建筑功能、改善住宅室內(nèi)空間效果等方面比普通矩形框架結構有較大的優(yōu)勢，在多層及小高層住宅中應用越來越廣泛。但異形柱抗震性能較差，異形柱受力較復雜，節(jié)點施工質(zhì)量不易得到滿足，設計者應充分了解異形柱結構的受力特點，熟悉《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》及設計計算軟件，結合以往工程經(jīng)驗，從概念設計到結構計算以及構造措施等方面保證結構的既安全可靠又經(jīng)濟合理。

[1]JGJ149-2006，混凝土異形柱結構技術規(guī)程[S].

[2]GB50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范[S].

責任編輯：余詠梅

On the Structural Design of Specially Shaped Columns

This article analyzes the differences of RC Frame Structure of specially shaped columns and RC Frame Structure of ordinary rectangle columns，pointing out some problems in the structural design of specially shaped columns combining with standards to be paid attention to by combining the author's experiences on construction designs.

specially shaped column;structural design;structuring measures

TU318文獻標識碼：A文章編號：1671-9107（2010）08-0034-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.8.034

2010-5-6

唐志強（1979-），男，本科，助理工程師。