住宅建筑異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

鄧曉明

（茂名市世源建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 茂名 525000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，異形柱框架結(jié)構(gòu)作為一種全新的結(jié)構(gòu)形式廣泛用于住宅建筑中，相對于傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，能更好的滿足建筑需求且造價(jià)略有降低，因此具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該結(jié)構(gòu)形式一般指同層內(nèi)異形柱數(shù)量超過柱總數(shù)量10%的框架或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，適用抗震設(shè)防烈度為6 °或7 °的地區(qū)。為此，文章對異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，以推廣該技術(shù)的使用。

1 異形柱的受力性能

1.1 承載能力

異形柱不同于矩形柱，它由多肢組成，柱肢截面高度與柱肢寬度的比值一般在2.5～4，墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。

1.2 變形特征

一般住宅的層高在2.8～3.1 m，異形柱肢厚在200 mm左右，異形柱為了獲得足夠的承載力，肢長一般不會太小，這就容易造成柱剪跨比過小，形成短柱（柱凈高H/柱，肢長h＜4），以剪切變形為主，構(gòu)件變形能力下降。即使存在軸壓比較小的柱H/h＞4，由于異形柱屬薄壁構(gòu)件，也會因截面曲率M/EI或ecu/X（ecu為混凝土的極限壓應(yīng)變，X為截面受壓區(qū)高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。

2 異形柱的計(jì)算分析

2.1 計(jì)算方法

在低烈度區(qū)，且水平力作用在截面對稱軸內(nèi)時(shí)（如異形柱為十字形），彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。而在高烈度區(qū)，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)選用帶有異形柱計(jì)算功能的軟件，如中國建筑科學(xué)研究院的TAT，SATWE程序及天津大學(xué)的鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算程序CRSC等。

2.2 計(jì)算模型

由于在實(shí)際工程中所布置的豎向構(gòu)件往往不全是異形柱，其中經(jīng)常會混合采用墻肢相對較長的剪力墻（一般剪力墻或部分短肢剪力墻），形成異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。在這類結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型輸入時(shí)，有的設(shè)計(jì)人員常會把異形柱按短肢剪力墻輸入，有的甚至將異形柱框架結(jié)構(gòu)的全部異形柱按短肢剪力墻輸入，這就勢必造成計(jì)算誤差，而且發(fā)現(xiàn)有些構(gòu)件的誤差會影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全。如框架梁，按異形柱輸入的，梁長取兩端異形柱形心長度；而按短肢剪力墻輸人的，梁長取墻肢端點(diǎn)長度，兩種方法引起梁內(nèi)力、配筋有較大出入。

3 軸壓比的控制

在目前設(shè)計(jì)過的工程中，由于本地建筑主管部門的嚴(yán)格控制，異形柱結(jié)構(gòu)的適用高度一般不高，異形柱的軸壓比不會太大，一般可控制在比普通柱結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的限值小0.3的水平。另外，不同的柱截面形式，如L形、T形、十字形，在相同水平側(cè)移下，其延性性能也有較大差異，對雙向?qū)ΨQ的十字形，軸壓比限值可適當(dāng)放寬，而雙向均不對稱的L形就應(yīng)嚴(yán)格控制，T形次之，這與結(jié)構(gòu)布置中的角柱軸力小，布置L形，邊柱，布置T形，中柱軸力大，布置十字形基本吻合。

4 異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造

4.1 材料要求

（1）混凝土的強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25，且不應(yīng)高于C50。

（2） 縱向受力鋼筋宜選用高強(qiáng)的HRB400、HRB335級鋼筋。

4.2 截面要求

（1）異形柱截面各肢肢高、肢厚比不應(yīng)大于4，肢厚不應(yīng)小于200 mm。

（2）異形柱不應(yīng)采用一字形和Z字形。

（3）盡可能地避免短柱和極短柱，異形柱的剪跨比宜大于2，不應(yīng)小于115，減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險(xiǎn)性。

4.3 框架柱

（1）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25 mm，且不小于14 mm，縱筋間距大于250 mm時(shí)，應(yīng)設(shè)置縱向構(gòu)造筋，其直徑可采用12 mm，并設(shè)拉筋，拉筋間距為箍筋間距的兩倍。

（2）柱截面厚度小于200 mm時(shí)，縱向受力鋼筋每排不應(yīng)多于2根；肢厚在200～250 mm時(shí)，每排鋼筋不應(yīng)多于3根，必要時(shí)可分兩排設(shè)置，兩排鋼筋之間的凈距離不應(yīng)小于50 mm。

（3）框架柱中全部縱向受力鋼筋的配筋率：抗震等級為Ⅱ級時(shí)，中柱、邊柱不應(yīng)小于 0.7%，角柱不應(yīng)小于 0.9%；抗震等級為Ⅲ級時(shí)，中柱、邊柱不應(yīng)小于0.6%，角柱不應(yīng)小于0.8%?？蚣苤腥靠v向鋼筋的配筋率，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對Ⅱ級、Ⅲ級鋼筋不宜大于3%。

（4）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。箍筋末端做成不小于135 °的彎鉤，彎鉤端頭直段長度不應(yīng)小于10 d（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500 mm者中的最大值。在加密區(qū)內(nèi)，箍筋的直徑不變，間距為100 mm。

4.4 框架節(jié)點(diǎn)

（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(cè)凸出柱邊小于50 mm時(shí)，在梁四角上的縱向受力鋼筋應(yīng)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(nèi)側(cè)彎折伸入框架節(jié)點(diǎn)內(nèi)。

（2）當(dāng)框架梁截面寬度的任一側(cè)凸出柱邊不小于 50 mm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)。

4.5 框架頂層柱縱向鋼筋的錨固和搭接

由于異形柱柱肢寬度與梁相當(dāng)，所以存在著梁筋與柱筋交接處較密集的問題。《規(guī)程》根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.6.7條規(guī)定并考慮異形柱的特點(diǎn)，頂層端節(jié)點(diǎn)柱外縱向鋼筋沿節(jié)點(diǎn)外邊和梁上邊與梁上部縱向鋼筋的搭接長度增大到1.6 Lae（1.6 la），但伸入梁內(nèi)的柱外側(cè)縱向鋼筋截面面積調(diào)整為不宜少于柱外側(cè)全部縱向鋼筋截面面積的50%。在目前沒有異形柱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圖集的情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說明中予以注明，以免發(fā)生施工錯(cuò)誤。

4.6 柱與填充墻的連接

（1）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500 mm或砌體皮數(shù)的適當(dāng)倍數(shù)，用2號6鋼筋與柱拉結(jié)。鋼筋由柱的每邊伸出，進(jìn)入墻內(nèi)的長度：Ⅱ級抗震時(shí)沿填充墻全長設(shè)置；Ⅲ級時(shí)不小于填充墻長的 1/5及700 mm。填充墻的砌筑砂漿強(qiáng)度等級不應(yīng)低于M2.5。

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

5 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力

由異形柱的截面特性，決定了梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域面積較小，而梁柱縱筋交匯使得箍筋配置不可能太多。為了滿足抗剪承載力的要求，只能提高混凝土的標(biāo)號，但隨之帶來的問題是構(gòu)件變脆，同時(shí)與梁板混凝土強(qiáng)度的協(xié)調(diào)也成問題，有時(shí)為了個(gè)別柱的需要，而使全部柱的混凝土標(biāo)號提高，也造成了投資上的浪費(fèi)。為了解決這一問題，我們在已建成的工程中采用了在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的柱內(nèi)加豎向鋼板的方法，鋼板伸過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上下一定的長度錨固，按鋼板與混凝土協(xié)同工作來計(jì)算分析，確定鋼板的截面尺寸。

6 結(jié)束語

總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)將會更加廣泛應(yīng)用于住宅建筑中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解異型柱的受力性能，正確把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)和計(jì)算分析，滿足規(guī)范要求的各種構(gòu)造措施，才能夠確保工程結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。