异形柱框架结构设计分析

摘要：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。

关键词：异型柱; 框架结构; 设计

Abstract: different column frame structure system in a certain degree meets the above requirements, the framework and steal it shear wall structure the advantages of the system, it will be the future housing structure of the system in one of the development direction.

Keywords: alien column; Frame structure; design

中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：

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，普通的矩形框架柱给室内装饰和家具布置带来极大的不便。异形柱框架结构很好地解决了这个问题。该结构体系既吸收了传统框架及剪力墙结构体系的长处，同时也具有其自身的优点：

（1）柱肢厚通常采用 200～250mm，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。

（2）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，因此综合考虑，其总体经济效益较好。随着异形柱的各种力学性能研究日趋成熟，其应用也越来越广泛。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量 10%的框架结构，适用抗震设防烈度为6 度或 7 度的地区。

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. 异形柱框架结构设计

3.1轴压比控制

框架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，且轴压比又是影响混凝土柱延性的一个关键，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，必须对异形柱的轴压比进行严格控制。

3.2“Z”形柱的设计计算

工程中经常遇到“Z”形柱的情况。《钢筋混凝土异形柱结构技术规程》未将“Z”形柱列入，在设计计算时可以在PMCAD输入时将其按2个“L”形柱来输入，并进行内力及配筋计算。因为“Z”形柱受力较大时易在中间肢劈开。劈开后(极限状态)其受力接近于2个“L”形柱，按2个“L”形柱处理较为合适。

3.3异形柱框架的计算

由于异形柱截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，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，仍可按平面假定分析，按混凝土设计规范计算。框架柱水平力较小，如按一般偏压柱计算，误差较小，此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大，且水平力作用在非主轴主向，则翘曲应力不容忽视。按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，以决定内力和配筋的位置和大小。在进行内力计算和配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。

目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有：中国建设研究院的TAT、SATWE程序、广东省建院的SS、SSW程序以及钢筋混凝土异形柱结构配筋计算CRSC等，这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，能有效满足结构安全性要求。

3.4配筋构造

在经过正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，因而在异形柱配筋时应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢混凝土裂缝的展开，提高异形柱局部抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束混凝土变形，增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，其间距可比普通箍筋间距小。

4. 异型柱框架结构设计中应注意的问题

（1）暗埋管线穿梁柱，使梁柱截面削弱。此类问题比较广泛，而且容易被设计忽视，往往造成较严重的结构缺陷问题。对此，除了对电气布线设计不能过于集中以外，应设管线井加以解决。管线井可设在楼梯平台的角部，其断面可设计为三角形，不会对交通产生影响。

（2）梁柱核心区配筋如过于密集，各向钢筋相互碰撞严重，会造成钢筋偏位和施工困难。这种情况一般发生在内梁，特别是横向框架梁中，对此可以采用“宽梁窄柱”的办法加以解决。

（3）悬臂梁根部钢筋较多时，势必形成多排配筋，使梁的有效截面高度下降，引起梁根部变形增大，裂缝宽度超规范允许值。可以将悬臂梁的顶面比相应楼面标高抬高25～30mm使悬臂梁上部纵筋从最上层伸入锚固，可以保证梁的变形及裂缝宽度在设计的控制值以内。

5. 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。