異型框架柱結(jié)構(gòu)在工程中設(shè)計心得和分析

摘 要：近年來，隨著人們對房屋平面與空間布置的要求越來越高，對建筑設(shè)計布局有了新的要求。普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔己越來越不能被房屋使用者所接受，因?yàn)樗苯佑绊懙绞覂?nèi)家具的布置及空間的使用。建筑師要求結(jié)構(gòu)工程師配合解決這個問題，因而在框架結(jié)構(gòu)中以異形截面柱代替矩形柱的形式油然而生，本文詳細(xì)闡述了異形柱框架的受力特點(diǎn)，對設(shè)計實(shí)際工程中異形柱結(jié)構(gòu)的分析計算、構(gòu)造措施等方面進(jìn)行了探討，并給出成功的工程設(shè)計實(shí)例。在此，筆者擬與廣大設(shè)計人員共同探討一下混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計心得與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：異形柱結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引 言

異形柱框架或異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種全新的結(jié)構(gòu)形式廣泛用于多層，小高層住宅建筑中，相對于傳統(tǒng)的短肢剪力墻或框架結(jié)構(gòu)，能更好的滿足建筑需求且造價略有降低，因此具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

異形柱框架結(jié)構(gòu)是指全部或部分柱截面為L形、T形、十字形（以L形柱作角柱，T形柱作邊柱，十字形柱作中柱），截面高與肢厚之比小于或等于4的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際設(shè)計施工圖紙，異形柱結(jié)構(gòu)的形狀也不再拘泥于L、T、十字型這些基本圖形，還出現(xiàn)了各種其他圖形，在計算時需要靈活應(yīng)對，適用抗震設(shè)防烈度為6度或7度的地區(qū)。

1 關(guān)于異形柱框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，實(shí)驗(yàn)研究及理論分析表明：異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載（作用）方向不同而有較大差異。在L形、T形和十字形三種異形柱中，以L形柱的差異最為顯著。當(dāng)異形柱結(jié)構(gòu)中混合使用等肢異形柱與不等肢異形柱時，則差異情況更為錯綜復(fù)雜，成為異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計算中不容忽視的問題。實(shí)驗(yàn)表明，異形柱在單調(diào)荷載特別在低周反復(fù)荷載作用下粘結(jié)破壞較矩形柱嚴(yán)重。對柱的剪跨比不應(yīng)小于1.5的要求，是為了避免出現(xiàn)極短柱，減小地震作用下發(fā)生脆性粘結(jié)破壞的危險性，為了設(shè)計方便，當(dāng)反彎點(diǎn)位于層高范圍內(nèi)時.柱的凈高與柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震設(shè)計時不應(yīng)小于3。

（2）異形柱多為兩肢、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力時要靠各肢交點(diǎn)處核心混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力分布。由彈性分析知道這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢存在相當(dāng)?shù)穆N曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，其次對各肢相交之核心混凝土，使其單元應(yīng)力呈三維剪壓狀態(tài)，由此使異形柱較普通框架柱變形能力低，脆性破壞明顯。

（3）異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的受剪承載力，是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié)。為確保安全，對抗震設(shè)計的二、三、四級抗震等級柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及非抗震設(shè)計的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，均應(yīng)進(jìn)行受剪承載力計算。在設(shè)計中，尚可采取各類有效措施，包括例如梁端增設(shè)支托或水平加腋等構(gòu)造措施，以提高或改善梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能。對于縱橫向框架共同交匯的節(jié)點(diǎn)，可以按各自方向分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計算。

（4）異形柱作為壓剪構(gòu)件，由于其肢長與肢寬之比以及肢寬等介于普通框架柱和剪力墻肢之間，說明異形柱是介于兩者之間的一種“過渡性”構(gòu)件。試驗(yàn)和分析表明異形柱作為壓剪構(gòu)件，其破壞形態(tài)有：彎曲破壞，小偏壓破壞，粘接破壞，高壓剪破壞以及剪壓破壞，剪拉破壞和斜壓破壞。和其破壞形態(tài)相關(guān)的主要因素是：軸壓比、柱凈高與截面肢長之比（即剪跨比）、縱筋配筋率等。通過必要的構(gòu)造措施可以防止粘結(jié)、剪拉及斜壓等脆性破壞，提高柱肢的小偏壓及剪壓破壞的延性。

2 異形柱框架結(jié)構(gòu)在SATWE中的設(shè)計與應(yīng)用

SATWE能有效地分析混凝土異形柱的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行截面配筋設(shè)計，在梁的剛度、荷載、及截面配筋計算時，充分考慮了異形柱框架結(jié)構(gòu)的特殊性。由于混凝土異形柱的柱肢較長，梁、柱在節(jié)點(diǎn)處的重疊部分較大，合理的力學(xué)模型簡化應(yīng)將重疊部分作為剛域，自重計算時不應(yīng)重復(fù)計算重疊部分的混凝土重量，SATWE軟件中對梁考慮了這樣的力學(xué)模型簡化：

（1）梁的計算按扣除剛域后的梁長計算：

（2）梁上的外荷載按梁兩端節(jié)點(diǎn)間長度計算；

（3）截面設(shè)計按扣除剛域后的梁長計算；

（4）梁端剛域的計算原則如下：

記梁兩端與柱的重疊部分長分別為Di和Dj，梁長為L（即兩端節(jié)點(diǎn)問的距離），梁高為H，則梁兩端的剛域的長度分別為：

Dbi=Ma×（0，DiH/4） Dbj=Ma×（0，Dj-H/4）

扣除剛域后的梁長為：LO=L-（Dbi+Dbj）

《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，異形柱截面的肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm。這是因?yàn)橹褫^小時，會造成梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼筋設(shè)置困難及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固強(qiáng)度不足，故限制肢厚不應(yīng)小于200mm，以保證結(jié)構(gòu)的安全及施工的方便。而限制肢高一方面為了滿足伸入柱內(nèi)的梁縱向鋼筋錨固長度，另一方面是考慮柱雙向正截面承載力要求和雙向受剪性能的要求。異形柱結(jié)構(gòu)框架梁截面高度抗震設(shè)計時不應(yīng)小于400mm。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的非彈性變形較大時，貫穿節(jié)點(diǎn)的柱縱向鋼筋粘結(jié)退化與滑移加劇，甚至出現(xiàn)沿節(jié)點(diǎn)區(qū)柱縱向鋼筋全長粘結(jié)破壞、現(xiàn)象發(fā)生。為保證其粘結(jié)應(yīng)力不致過大，避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，規(guī)定梁的高度、即節(jié)點(diǎn)高度不能太小。異形柱結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)條件可能不如普通框架節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)條件，故務(wù)必遵守此條規(guī)定。

對于異形柱框架結(jié)構(gòu)來說，在把握規(guī)范和在SATWE計算中還有許多需要注意的地方，這里僅列舉了部分的信息供大家參考。

3 關(guān)于異形柱框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計中的實(shí)例相關(guān)分析

3.1 工程概況

某多層異形柱框架結(jié)構(gòu)，共6層。地震烈度為6度（設(shè)計基本地震加速度為0.05g），框架抗震等級為四級。填充外墻為200厚MU5.0輕骨料混凝土空心砌塊（容重<13KN/m），填充內(nèi)墻為200厚MU5.0蒸壓加氣混凝土砌塊（容重<8kN/m）。

3.2 設(shè)計心得

在設(shè)計該結(jié)構(gòu)時，最初將混凝土強(qiáng)度等級定為C25，但是計算得到的異形柱軸壓比超過規(guī)范規(guī)定限制，同時部分框架柱核心區(qū)節(jié)點(diǎn)域抗剪超過規(guī)范值。故修改柱混凝土標(biāo)號為C30，重新計算，滿足規(guī)范要求。計算中，框架柱會有節(jié)點(diǎn)域計算不通過，這時候我們就需要通過各種措施，比如增加混凝土標(biāo)號，增大柱截面面積等施工措施來保證節(jié)點(diǎn)域抗剪滿足要求。

異形柱截面形式的不同，其節(jié)點(diǎn)受剪承載力也差別較大。十形截面柱的翼緣布置在節(jié)點(diǎn)截面中間受力最大的部位，翼緣的作用得以充分發(fā)揮，節(jié)點(diǎn)受剪承載力與同截面面積的矩形柱相差不大，T形截面次之，L形相差最大，受剪承載力下降最大。有關(guān)研究表明：L形、T形、十形柱節(jié)點(diǎn)的受剪承載力比具有相同有效截面的矩形柱節(jié)點(diǎn)分別低33%、17.5%、8%左右，且用于矩形柱框架節(jié)點(diǎn)抗剪驗(yàn)算的公式已不適用于異形柱節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，考慮到節(jié)點(diǎn)處鋼筋的錨固以及保證節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑的質(zhì)量，柱鋼筋數(shù)量不宜過多且直徑不宜過大。通過該結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)構(gòu)構(gòu)造在整個設(shè)計過程中起著非常重要的作用。尤其對于異形柱結(jié)構(gòu)而言，實(shí)際上是梁柱節(jié)點(diǎn)域的設(shè)計。

4 小 結(jié)

總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場需求，在設(shè)計中根據(jù)其受力特點(diǎn)，充分了解其破壞機(jī)理，選用合理的柱網(wǎng)布置形式，正確掌握計算機(jī)分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結(jié)構(gòu)具有可靠的安全保證。

參考文獻(xiàn)

[1]于躍海.多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)改造與異形柱應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2011年07期.

[2]朱杰江，袁濤，王堅.異形柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].河南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012年02期.

作者簡介：汪楊（1982-），女，漢族，安徽合肥人，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。