浅谈异形柱框架结构住宅设计

摘要：异形柱框架结构住宅使房间布局规整，有效增大了室内使用面积，而且墙体分隔灵活，便于住户装修改造。同时，这种住宅的抗震性能也优于砖混结构，具有良好的经济效益，环境效益及社会效益，并愈来愈显示出其良好的发展前景。本文总结了异形柱框架结构设计的特点，分析了其平面布置的原则，并对结构设计时经常遇到的问题进行了探讨。

关键词：异形柱平面布置结构设计

随着生活水平的提高，人们对住房的要求越来越高，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。异型柱框架结构柱的平面布置很灵活，围护墙都是非承重的轻质隔墙，受建筑的限制较少，可以满足业主对大开间建筑的需求。适中的刚度和较轻的自重，对减小地震作用很有利，是一种经济合理的抗震住宅结构体系。

一、异形柱框架结构设计特点

（1）由于柱截面为异形，在双向压弯作用下，随着荷载角的变化，其受压区的形状也随之变化。在某些荷载角情况下，会使柱截面的受压区高度较大而表现出很大的脆性。因此异形柱的延性比矩形柱差，在设计中应严格控制异形柱的轴压比，并应尽量避免出现短柱；

（二）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。对柱的剪跨比不应小于1.5的要求，是为了避免出现极短柱，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性，为了设计方便，当反弯点位于层高范围内时，柱的净高与柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震设计时不应小于3。

（三）影响框架柱和剪力墙肢破坏形态的主要因素有：轴压比，剪跨比、配筋率及构造处理。异形柱作为压剪构件，其破坏形态有：弯曲破坏，小偏压破坏，粘接破坏，高压剪破坏以及剪压破坏，剪拉破坏和斜压破坏。和其破坏形态相关的主要因素是：轴压比、柱净高与截面肢长之比（即剪跨比）、纵筋配筋率等。通过必要的构造措施可以防止粘结、剪拉及斜压等脆性破坏，提高柱肢的小偏压及剪压破坏的延性。

（四）异形柱的柱肢截面较薄，框架梁应沿平行于柱肢的方向插入柱肢。若沿垂直方向插入柱肢，则梁纵向钢筋的水平锚固长度难以满足规范要求。

（五）框架梁的截面宽度可与柱肢厚度相同或大于柱肢厚度。若二者相同，梁的纵筋应在柱筋的内侧穿过，并采取一定的构造措施；若梁宽大于柱肢厚度，梁的外侧纵筋可在柱筋的外侧穿过。

二、结构平面布置

异型柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定、设计要求外，还应考虑自身的特点，注意以下几点：

（一）平面布置宜尽量对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；

（二）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。

（三）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。

总之，异型柱设计的目的主要是合理解决小面积房屋的使用问题，应重点布置在房屋中影响房间使用的墙角部位，其它部位从受力合理和施工方便两个方面考虑宜采用矩形截面柱。这样兼顾了使用和经济两个方面，充分发挥了异型柱使用和受力的特点创造出每平方米建筑面积用钢量较低的好指标。

三、异形柱结构设计时应注意的问题

异形柱的受力情况复杂，结构延性相对较差，单纯依靠目前的程序计算配筋尚难满足结构抗震的延性要求，因此必须加强构造措施，从概念出发，保证结构具有足够的安全度。

（一）轴压比控制

异形柱的延性比通俗矩形柱要差。轴压比、高长比（即柱净高与截面肢长之比）是影响异形柱破损形态及延性的两个主要原因。异形柱因为多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状况下，各肢发生翘曲正应力和剪应力。因为剪应力，使柱肢混凝土先于通俗矩形柱呈现裂痕，即发生腹剪裂痕，导致异形柱脆性较差，使异形柱的变形能力比通俗矩形柱降低。为了保证异形柱的延性，必需严格节制轴压比，同时避免高长比小于4（短柱）。可以通过控制柱距、采用轻质墙体、优化结构平面布置改善。柱肢端承受梁传来的集中荷载，局部压应力大，可设置暗柱。

（二）配筋构造

在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，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。因此在异形柱配筋时，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2Ф14的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，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，因而箍筋可用Ф8、Ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。

（三）梁柱节点设计

梁柱节点是异形柱结构的薄弱部位。由于节点的作用是将本层和上层荷载通过核心区传至下层柱中，其作用力为与节点相连的梁端和柱端弯矩、轴力、剪力、扭矩，受力非常复杂。异形柱框架节点由于异形柱截面的特点，正交方向梁截面的宽度与柱接触面积较小且偏置，对节点核心区砼难以达到约束。由于异形柱容易在节点核心区产生阻压应力，使砼压坏，因此必须对异形柱框架节点核心区进行受剪承截力计算，无论是非地震区或地震区（包括高、低抗震区)均应计算，这是异形柱结构设计必须执行的强制性条文。异形柱截面形式的不同，其节点受剪承载力也差别较大。十形截面柱的翼缘布置在节点截面中间受力最大的部位，翼缘的作用得以充分发挥，节点受剪承载力与同截面面积的矩形柱相差不大，T形截面次之，L形相差最大，受剪承载力下降最大。要想控制节点受剪承截力，首先应限制节点核心区截面，避免截面太小承受过大的斜压力，导致核心区砼首先被破坏。其次是控制节点核心区配箍面积，保证节点受剪承载力，改善节点的抗震性能。

（四）异形柱框架结构在SATWE中的设计与应用

SATWE软件能够有效地分析混凝土异形柱的结构并进行截面配筋设计。在梁的刚度、荷载、及截面配筋计算时，要充分考虑异形柱框架结构的特殊性。由于混凝土异形柱的柱肢较长，梁、柱在节点处的重叠部分较大，合理的力学模型简化应将重叠部分作为刚域，自重计算时不应重复计算重叠部分的混凝土重量，SATWE软件中对梁考虑了这样的力学模型简化：梁的计算按扣除刚域后的梁长计算：梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算；截面设计按扣除刚域后的梁长计算。梁端刚域的计算原则如下：即梁两端与柱的重叠部分长分别为Di和Dj，梁长为L（即两端节点的间距），梁高为H，则梁两端的刚域的长度分别为Dbi＝Ma×（0，Di H/4）； Dbj＝Ma×（0，Dj―H/4）；扣除刚域后的梁长为：LO＝L－（Dbi＋Dbj）

四、结语

总之，异型柱框架结构的平面布置比普通矩形柱框架灵活，可以较好满足建筑功能的要求，具有良好的发展前景，结构设计人员在设计中应了解异形柱结构的受力特点及其破坏机理，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，从概念设计到结构计算以及构造措施等多方面确保工程结构安全可靠，经济合理。

参考文献：

1. 刘文彤：《异形柱结构体系的发展与应用》，《江苏建筑》，2008年第1期。

2. 王军芳、王民、詹凤程：《水平荷载作用下异形柱框架结构内力计算》，《四川建筑科学研究》，2007年第6期。

3. 曹万林、徐金荣等：《钢筋混凝土异形柱框架结构抗震设计的若干措施》，《世界地震工程》，2002年第1期。

4. 李展开：《异形柱框架结构在多层住宅设计中的应用》，《山西建筑》，2008年第30期。