刍议异形柱框架结构设计

刍议异形柱框架结构设计

辛杏君

摘要：为适应住宅平面灵活布置，异形柱框架结构是一种较好的结构形式。分析了异形柱结构设计的一般规定和计算方法，对一些常见的特殊问题作了分析，供广大工程设计人员参考。

关键词：住宅；框架柱；结构设计

前言

近年来，随着我国住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，普通的矩形框架柱会给室内装饰和家具布置带来极大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面积，这对住宅结构设计提出了一项新的要求。异型柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求，它博采了框架及剪力墙结构体系的优点，它将是今后住宅结构体系的发展方向之一。异型柱框架结体系具有以下主要优点：柱肢厚通常采用l80~200mm，肢厚基本与填充墙等厚，框架梁宽也同墙厚，室内不凸出梁柱，便于使用又美观，同时还增加了房间的使用面积，比相同形式的砖混结构可增加约8％~10％的使用面积；围护墙通常是非承重的轻质隔墙，原则上允许任意穿墙打洞，甚至拆除重砌，这使得房间布置更加灵活，能更好地实现建筑功能的要求；虽然增加了施工难度，但因扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用，综合考虑总体经济效益较好。

1异形柱结构设计的一般规定

1.1结构布置

与一般钢筋混凝土框架结构相比，异形柱框架结构在结构布置时应注意以下原则：

（1）结构平面宜尽量对称，使平面和刚度均匀，2个主轴方向应协调布置，避免扭转带来的不利影响；如果有明显的不对称，应考虑扭转对结构受力的不利影响。

（2）异形框架宜双向设置，框架柱应对齐，框架梁应拉通，避免纵横框架梁相互支撑，使结构形成空间受力并具有足够的承载能力、刚度和稳定性，同时具有良好的整体性和较好的抗震性能。

（3）竖向布置应力求体型规则、均匀，避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，尽量避免错层。

1.2适用高度、高宽比及长细比限制

异形柱框架在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度≤35m，层数<12，建筑物的高宽比不宜大于5；8度区房屋高度不大于25m，建筑物的高宽比不宜大于4。另外，柱净高与截面长边之比，即长细比宜大于4小于8。长细比小于4（即短柱），容易发生脆性剪切破坏；长细比大于8，易引起失稳破坏。

1.3抗震等级

异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。

2异形柱的结构计算方法

目前，异形柱的结构设计还没有统一的国家规范，仅有两部地方性法规，即广东省和天津市的标准就可供参考。异形柱不宜套用普通柱的配筋公式，也不宜直接用剪力墙的配筋公式，一般来说，有以下几种计算方法。

2.1直接计算法

根据国内外的部分试验结果，进行统计分析，拟合成经验公式。即按T型截面分别计算出纵向力作用x轴及y轴，考虑相应的初始偏心距增大系数后，按仅考虑曲肘边纵向受力钢筋计算的偏心受压构件所能承载的纵向力Nx和Ny，然后以初始偏心距与截面边长的比值为参数进行修正。

2.2等代矩形柱计算法

（1）将异形柱截面折算成惯性矩相等的矩形截面且将等代矩形柱的形心置于异形柱两肢杆轴线的交点上。

（2）将其输入空间分析程序（如TBSA）进行位移和内力计算，可简化工作量。

（3）以上电算输出的是作用在等代矩形杆形心处的组合内力，需将其回归到各个单肢截面的形心处。这样每个单肢就可按其各自的组合内力进行正、斜截面的配筋计算。

这种用面积等效换算作抗压抗剪分析的方法在工程中应用较多，但用这种方法计算时应明确的是：按矩形柱计算时得出的内力要转换到异形柱上断面形心的位置。然后按异形柱计算配筋；按矩形柱得出的轴压比应乘以矩形柱断面面积与异形柱断面面积之比值才是异形柱的轴压比。

2.3先配筋再复核法

对于有经验的设计人员，在参考一些相关算例的前提下，可以先对异形柱配筋再复核截面就显得更为简便，截面复核时可分x轴和y轴均按T型截面分别复核。

不论是哪种计算方法，都可以参与GB500102002混凝上结构设计规范有关偏心受压构件的内容来进行计算。

3异形柱框架结构的计算要点

普通框架柱一般采用方形或矩形，为了使2个主轴方向的受力性能相差不大，一般要求h/n≤1.5，剪力墙肢一般要求hw/bw>4，而异形柱作为一种新型的承受竖向力构件，hz/b22~4介于框架柱与剪力墙之间，从而使其受力特点亦介于普通框架柱与剪力墙之间。异形柱内力计算时，既不能完全按普通框架柱，亦不能照搬剪力墙肢进行。

目前，大多数设计人员采用由中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部《多层及高层建筑结构空间分析程序TBSA》进行内力计算。由于程序是以矩形截面柱为研究对象的，而对异形柱的结构几何数据输入无明确规定，输入时把异形柱用具有相同抗弯刚度的矩形柱等替换，然而由于框架柱属于压剪构件，除了要求有相当的刚度外还应有较好的抗剪能力，为保证柱子具有一定的延性，设计时通过对剪跨比、轴压比、主筋配筋率、配箍率进行限定，使异形柱有较好的抗震性能。

3.1剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受弯矩与剪力相对大小的一个参数?姿=Hn/2h，是影响框架柱破坏形态的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱净高与柱截面肢长之比。由于异形柱的抗剪性能差，选择异形柱截面时，为避免出现短柱，控制?姿=Hn/h>4，亦即?姿=Hn/2h>2。

3.2轴压此的限定

轴压比是指柱组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比。即?姿tN=N/Acfc。它是影响柱破坏形态和变形能力的另一个重要因素。有关研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，为保证异形柱的延性，必须严格控制轴压比，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，并应满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱。由于异形柱的截面积比具有相同抗弯刚度的矩形柱小，因此用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱。而异形柱的轴压比的限值在规范中又无详细规定，考虑到异形框架柱的抗扭、抗震性能较差，一般认为，设计中应按《混凝土结构设计规范》规定的轴压比限值减少0.05选用。

3.3主筋配筋率及配箍率的调整

轴压比控制值的调整，使计算得出的矩形柱配筋值一般均较小，用于异形柱截面配筋时比值应予以放大。考虑到异形柱自身的受力特点，把柱纵向钢筋的最小总配筋率限值提高0.1%。另外由于异形柱较普通柱易于开裂的特点，设计时以普通框架柱的构造体积配箍率0.8%~1.2%为依据，异形柱的配箍率取其上限，并且配箍形式选用矩形复合箍筋。

3.4抗震调整系数的选取

考虑地震作用组合的异形柱，其截面承载力应除以承载力抗震调整系数?酌RE。对于正截面承载能力，取?酌RE=0.8；对于斜截面承载力取?酌RE=0.85。

4异形柱结构提高延性、防止粘结破坏的措施

试验研究结果表明：异形柱在单调荷载，特别在低周反复荷载作用下，粘结破坏较矩形柱严重，延性比普通矩形柱差。轴压比、高宽比（即柱净高与截面长边尺寸之比）、箍筋间距与纵筋直径比s/d、箍筋直径d、荷载角。是影响异形柱破坏形态及延性的重要因素。作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，同时，高宽比不宜小于4（短柱）、不应小于3。《规程》根据s/d，d，和抗震等级确定，例如，对s/d=5（如s=100mm，d=20mm），箍筋直径d＝8mm，抗震等级为三级的L形截面，其轴压比限值为0.55，而普通矩形柱框架可达0.9。可见，异形柱轴压比比矩形柱严格得多。

由于异形柱的肢厚都很小，往往同框架梁的宽度一样宽，所以，它对梁纵筋的锚固能力比普通矩形柱差。因此，异形柱结构框架梁贯通中柱的纵向钢筋直径要求不应大于该纵筋方向柱肢高的1/30，而普通矩形柱框架的要求仅为1/20。从避免出现短柱的角度来说，异形柱的肢高短一些为好。但是，从框架节点对受力纵筋的锚固粘结来说，又要求肢高稍长一点为好。所以，兼顾两个方面的原因，实际采用的柱肢高一般在500~700mm之间，既可以解决梁纵筋直径可在16~22mm（柱肢高的1/30）之间选用的构造要求，又可解决避免出现短柱的要求。

结束语：异形柱框架结构虽然在结构上存在一定的缺陷，但有其存在的市场价值，在工程实践中也的确经常被使用。所以我们应该在掌握其受力特性和结构特点、了解其结构破坏机理的基础上选用合理的结构形式，正确地运用电算结果，满足规范要求的各种构造措施，才能够保证所设计的结构有可靠的安全度。