建筑工程異形柱框架結(jié)構(gòu)設計淺談

浙江建院建筑規(guī)劃設計院

摘要：在日常的結(jié)構(gòu)設計尤其是精品住宅設計和別墅設計過程中，業(yè)主對戶內(nèi)空間要求，特別是“墻不露角”等的要求越來越高，因此，異形柱的應用就逐步趨向廣泛。異形柱框架結(jié)構(gòu)作為一種實用與功能性強且美觀亦較經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，能更好的實現(xiàn)現(xiàn)代建筑多種要求，因此具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。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)，適用抗震設防烈度為6度或7度的地區(qū)。為此，文章對異形柱框架結(jié)構(gòu)設計進行初步的探討。

關(guān)鍵詞：異形柱；結(jié)構(gòu)；布置；設計

1、異形柱及異形柱結(jié)構(gòu)體系

異形柱就是異形截面柱的簡稱。在這里所說的“異形截面”，就是說的柱截面的幾何形狀和經(jīng)常用的矩形截面是不一樣的。異形柱截面的幾何形狀可分為十字形、T形、L形，并且截面各肢的肢高肢厚比不得大于4的柱。

異形柱結(jié)構(gòu)體系是指采用輕質(zhì)填充墻及隔墻的現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻。

2、異形柱在建筑框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點及適用范圍

2.1 現(xiàn)在的社會里，異形柱在住宅中應用的越來越廣泛，主要是由于以下幾個優(yōu)點：

（1）異形柱框架由于室內(nèi)無棱角，有利于家具的擺設們可以增加局部使用面積；

（2）異形柱的平面布置很靈活，異形柱結(jié)構(gòu)的維護墻都為非承重的輕質(zhì)隔墻，受的空間利用的限制少，易于滿足業(yè)主的空間需求；

（3）異形柱可以建造高層，節(jié)約土地資源，造價比框架底，也是一種經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系。

2.2 異形柱的適用范圍：

（1）居住建筑（住宅及宿舍）；

（2）抗震設防烈度為7度（0.10g及0.15g）和8度（0.20g，I、II、III類場地）；

（3）柱網(wǎng)尺寸不宜大于6.6m；

（4）房屋總高度的限制。

對于建筑不是太高的住宅，使用異形柱結(jié)構(gòu)體系能夠很好的滿足建筑功能和使用要求。隨著科研和設計人員的不斷探索和專研，新的建筑結(jié)構(gòu)體系將不斷地出現(xiàn)，也會越來越多地應用于實際工程中。

3、異形柱的受力性能特點

（1）由于異形柱截面的特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；

（2）對于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h<4），剪切變形占有相當比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率或者極限壓應變較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；

（3）異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當大的翹曲應力和剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；

（4）異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內(nèi)外大量的試驗資料和理論分析，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。

4、異形柱框架設計的常見問題

4.1 異形框架的計算

由于異形柱截面的特殊性，在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按砼設計規(guī)范計算，特別是在框—剪，框—筒結(jié)構(gòu)中，對6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進行內(nèi)力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件目前，國內(nèi)可直接進行異形柱截面內(nèi)力計算和截面設計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序等。這些程序均用數(shù)值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

4.2 軸壓比控制

對框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重 要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關(guān)鍵指標。柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

4.3 配筋構(gòu)造

在正確的結(jié)構(gòu)選型及計算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現(xiàn)較大應力，加上梁作用于柱肢上應力的不均勻，一般越靠肢端應力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大肢端壓應力。因而在異形柱配筋時，應在肢端設暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

5、異型柱框架結(jié)構(gòu)的設計要點

5.1 異形柱結(jié)構(gòu)的平面布置：

（1）在異形柱結(jié)構(gòu)的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。

（2）結(jié)構(gòu)平面布置應減小扭轉(zhuǎn)效應的不利影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移分別不宜大于該樓層兩端相應平均值的1.2倍，不應大于該樓層兩端相應平均值的1.4倍。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.85。

（3）異形柱框架結(jié)構(gòu)和異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)均應設計成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

（4）異形柱結(jié)構(gòu)不應用于單跨框架結(jié)構(gòu)。

5.2 異形柱結(jié)構(gòu)的豎向布置：

（1）建筑立面和豎向剖面宜規(guī)則，均勻，避免過大的外挑和內(nèi)收。

（2）異形柱結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿豎向宜均勻分布，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力沿豎向的突變，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和材料強度不宜在同一層變化。

（3）異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的剪力墻應上下對齊連續(xù)貫通房屋全高。

（4）異形柱框架不應采用樓層錯層的設計方案。

（5）異形柱不宜在樓層半層處單面設置挑梁。

5.3 異形柱結(jié)構(gòu)應按下列原則考慮地震作用：

（1）抗側(cè)力結(jié)構(gòu)正交布置時，應允許在結(jié)構(gòu)兩個主軸方向分別考慮水平地震作用。

（2）有斜交抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，當相交角度大于15度時，應分別計算各抗側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。

（3）質(zhì)量與剛度明顯不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu)，應計入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；其他情況，應允許采用調(diào)整地震作用效應的方法計入扭轉(zhuǎn)影響。

對于不規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)，需要滿足《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149-2006）.相關(guān)要求。

5.4 異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法：

（1）異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應大于4，且肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。

（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）L b確定（Lb為計算跨度），且非抗震設計時不宜小于 350mm.，抗震設計時不宜小于400mm，梁的截面寬度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。

（3）異形柱的混凝土強度等級不小于C25和不大于C50，這是由于異形柱截面尺寸薄，混凝土強度等級小于C25的話可能達不到其與鋼筋之間保證粘結(jié)的要求。強度等級為C25異形柱構(gòu)件及科學研究相對較少，還不足以形成編制條文的基礎。

（4）異形柱的鋼筋應滿足下列要求：1.鋼筋直徑不應小于14mm，不應大于25mm；2.縱向鋼筋二、三級抗震間距不宜大于200mm，四級不宜大于250mm非抗震不宜大于300mm；3.異形柱全部縱向受力鋼筋的配筋率，非抗震時不應大于4%，抗震設計時不應大于3%。

結(jié)束語

伴隨著我國民用建筑的發(fā)展越來越趨向于大的開間、大的空間，異形柱框架結(jié)構(gòu)也將要更多地運用到了住宅建筑當中，所以異形柱框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)設計師也應該全方位剖析異型柱的受力能力，選擇恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)布局，解決好結(jié)構(gòu)的構(gòu)造問題，準確應用計算機的分析方案，才可以保證結(jié)構(gòu)的安全、可靠、經(jīng)濟、適用。

參考文獻：

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