浅谈异形柱框架结构在住宅设计中的应用

浅谈异形柱框架结构在住宅设计中的应用

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。文章从异形柱框架结构的定义及受力特点出发，分析了异形柱结构设计的计算方法，对设计实际工程中异形柱结构构造措施等方面进行了探讨，供广大工程设计人员参考。

关键词：异形柱；框架结构；受力特点；计算方法；结构构造

随着现代化住宅建筑的不断发展以及人们对住宅平面与空间布置要求的不断提高，异形柱框架结构作为一种全新的结构形式广泛用于住宅建筑中，相对于传统的框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10%的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6°或7°的地区。为此，文章对异形柱框架结构设计进行探讨，以推广该技术的使用。

1.异形柱的定义及受力特点

异形柱是指柱截面区别于常用的矩形柱，而采用多个小墙肢的组合截面柱子，是由剪力墙演变而来的。柱肢截面中各肢的肢高与肢厚比不大于4，常用的有L 形、T 形和十字形，也有的采用Z 形。L 形截面柱多用于墙的转角部位，而T 形和十字形截面柱多用于纵横墙交接处。柱肢宽度一般使用与填充墙体相同的厚度，为200～250mm，不大于300mm。肢长较大，一般为600～800mm。除此之外，不等肢异形柱肢高比一般不超过1.6，各肢截面厚度不能相差过大。

虽然异形柱由剪力墙演变而来，但由于柱截面本身的特殊性，异形柱结构的受力特点既不同于剪力墙结构，也与普通框架相差很大，具有自己的独特性：(1)由于异形柱截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；(2) 异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼来协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱协调变形能力低，脆性破坏明显；(3) 异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S 与纵筋直径D 的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过合理的结构平面布置，采用有效的设计计算程序和必要的构造措施来保证其强度和延性。

2.异形柱结构平面布置

异形柱框架的构造应满足现行国家结构设计、施工规范的基本要求。考虑到异形柱的特点，在结构体系上，应从严把握概念设计的原则，力求结构平面规整，结构刚度均匀，构件传力明确。就结构体系而言，异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系，根据结构平面布置和受力特点，可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式，特别注意在受力复杂部位采用矩形柱，如楼梯间、电梯井等。结构平面布置形状宜简单、规则、对称，减少偏心，刚度和承载力分布宜均匀，尽量控制或减小扭转效应。同时结构的框架纵、横柱网轴线宜分别对齐拉通，异形柱截面肢厚中心线宜与框架梁中心线对齐；结构竖向布置注意体型力求简单规则，避免过大的外挑内收，避免楼层刚度沿竖向突变；柱网尺寸不易过大，一般不超过6m。因柱距大，梁高也大，一方面建筑净空难以满足要求，另一方面柱承受的轴力也大。轴压比高，于抗震不利。为保证梁板对异形柱节点的约束，宜采用现浇楼盖。

3.异形柱的计算分析

3.1计算方法

在低烈度区，且水平力作用在截面对称轴内时（如异形柱为十字形），弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按混凝土设计规范计算。而在高烈度区，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，应选用带有异形柱计算功能的软件，如中国建筑科学研究院的TAT，SATWE程序及天津大学的钢筋混凝土异形柱结构配筋计算程序CRSC等。

3.2计算模型

由于在实际工程中所布置的竖向构件往往不全是异形柱，其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙（一般剪力墙或部分短肢剪力墙），形成异形柱框架—剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时，有的设计人员常会把异形柱按短肢剪力墙输入，有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱按短肢剪力墙输入，这就势必造成计算误差，而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁，按异形柱输入的，梁长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输人的，梁长取墙肢端点长度，两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。

4.异形柱结构构造措施

4.1异形柱轴压比控制

在抗震设计中，对框架结构、框剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重要的作用。轴压比反映构件的变形能力，是影响混凝土柱延性的一个关键指标，对异形柱的抗裂和抗剪能力影响较大，是影响柱破坏形态的重要因素。由试验结构分析，柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧

下降。在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使混凝土柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比更要严格控制。

4.2节点构造

由于异形柱截面宽度较小，因而在节点处应严格加强构造措施，以保证结构有较好的延性，达到“强节点强锚固”的抗震要求。通过限制异形柱各肢端部纵向钢筋直径来保证纵向钢筋骨架有良好的垂直度；采取柱的纵向钢筋贯穿中间节点和端点，杜绝节点核心区内接头，配置异形柱箍筋等措施保证达到延性要求。

4.3柱壁厚度和砼标号的选择

参照规范及实践经验来看，柱肢的厚度最小不少于200mm。一般采用为200～250mm 比较合理。对于10 层及以上框架，其下面两层梁柱节点处的钢筋有时显得比较密集，因此不宜减薄。在梁跨度较大时，柱子往往显得截面不足，轴压比太大，钢筋过分密集。因此最好把一、二层柱砼标号提高到C40 左右，避免采用加大壁厚的方案。当楼层更高时，不得已才采用加大壁厚的方法，因为异型柱的优点在于少占或不占层间面积，有利于家具的布置，若盲目采用加大壁厚的方案，则这个优点就不明显了。如果确实不行时最后只能采用矩形柱代替了。

4.4柱与基础的连结

由于异形柱截面形心比矩形柱难以确定，如果直接将异形柱连结到基础，给设计和施工都带来不便。另一方面，由于地基情况千变万化，同一幢建筑物的基础埋深经常有所不同，这样在基础梁与基础之间可能会形成短柱，对抵抗水平力极为不利。设计中通常将这段短柱设为矩形柱，底层异形柱与矩形柱相连并与基础梁连成整体，可以有效地减少水平力产生的应力集中，同时也方便基础放线定位施工。

5.节点核心区受剪承载力

由异形柱的截面特性，决定了梁柱节点核心区域面积较小，而梁柱纵筋交汇使得箍筋配置不可能太多。为了满足抗剪承载力的要求，只能提高混凝土的标号，但随之带来的问题是构件变脆，同时与梁板混凝土强度的协调也成问题，有时为了个别柱的需要，而使全部柱的混凝土标号提高，也造成了投资上的浪费。为了解决这一问题，我们在已建成的工程中采用了在节点核心区的柱内加竖向钢板的方法，钢板伸过节点核心区上下一定的长度锚固，按钢板与混凝土协同工作来计算分析，确定钢板的截面尺寸。

6.结束语

总之，异形柱框架结构将会更加广泛应用于住宅建筑中，结构设计人员应根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋。只有这样，其结构才能有可靠的安全保证。

参考文献

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