異形柱框架結構在多層住宅中的應用

郭培成

(廈門大學嘉庚學院,福建漳州 363105)

國外在20世紀70年代就已經開始研究L形、T形、十字形等異形柱的受力特性和力學性能,美國學者首次進行了鋼筋混凝L形短柱的全過程受力分析，相對國內提前了十年左右，為各國在異形柱結構方面的研究發展提供了重要的依據。國內率先開始研究異形柱結構的是天津、廣東、山東、云南等地，陸續建設了大量的異形柱框架結構住宅設計的實際工程，并得到了較好的社會效益和經濟效益。

框架結構在室內有凸出的柱子，影響了建筑觀瞻，為了解決該問題，在框架結構設計中產生了異形截面柱。異形柱框架采用柱、梁、非承重墻等厚度(寬度)，解決了框架結構室內柱角和梁邊外露、占據空間、影響美觀和使用的問題；另外住宅由于減少了框架柱的外露，增大了房間的有效使用而積(增大面積5 %～8 %)，因此，在相同建筑使用而積的條件下，異形柱框架住宅的單位面積造價低于普通框架和磚混住宅6 %～10 %。

1 異形柱框架結構和PKPM結構電算軟件

1.1 異形柱框架結構的介紹

JGJ 149-2006《混凝土異形柱結構技術規程》明確提出:異形柱指截面幾何形狀為L形、T形、十字形和一字形，且截面各肢的肢高與肢厚比不大于4的柱，其截面形式見圖1。

圖1 異形柱截面形式

1.2 PKPM結構電算軟件介紹

軟件主要包括模形建立(主要建立梁、柱、板、承重墻的尺寸)、參數的設置(包括地震信息、風荷載信息、總信息和配筋信息)、SATWE內力計算和結果查看。計算結構構件內力和配筋的結果比較準確，再結合設計者的合理修正，使其繪制結構平面施工圖符合工程所用。本軟件可以處理二維平面(排架結構)、三維空間結構、彈性時程分析和彈塑性時程分析、樁基礎設計分析、人防設計等。

2 工程概況

本工程為北方某城市的一棟6層框架結構，無地下室，一層為商業店面，其它層為居民住宅。建筑高度18.3 m,總建筑面積4 372.3 m2，結構總高度17.6 m(異形柱框架在該條件下，最大適用高度18 m),該結構高寬比2.65?？拐鹪O防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g,地震分組第二組,基本風壓0.50,基本雪壓0.40,建筑物抗震設防類別為丙類，場地類別Ⅱ類，基礎形式獨立基礎，設計基準期50，使用年限70年，結構安全等級二級，結構抗震等級均為三級。采用SATWE進行三維空間計算,在水平地震作用下進行計算分析。工程具體結構平面布置見圖2(對稱結構，僅畫出1/2)。

圖2 結構平面布置

工程中L形、T形截面各肢的肢高肢厚比為700/200=3.5，600/200=3兩種。角部的L形角柱采用肢高肢厚比3.5，為了提高角部的延性(因為角柱為雙向偏心受壓構件，延性相對較差，加大柱截面使其延性提高，降低破壞的程度)，其它部位的L形柱截面采用肢高肢厚比3；均小于異形柱結構規范規定的最大限值4，符合構造要求；同時也滿足異形柱截面的肢厚要求不應小于200 mm，肢高不應小于500 mm的規定?？蚣芰悍謩e取b×h=200 mm×600 mm(分別布置在建筑物最外邊緣的四周)、b×h=200 mm×500 mm(布置在建筑物內部),符合異形柱結構抗震設計時梁高度不宜小于400 mm，梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4(即500/4=125 mm)和200 m；填充墻采用200 mm厚的多孔轉。本工程異形柱混凝土的強度等級一層、二層柱采用C30，其它層采用C25；梁、板混凝土的強度等級采用C25。結構中框架柱和框架梁的縱筋均采用3級鋼筋(HRB400)，箍筋采用1級鋼筋(HPB300)；結構樓板配筋采用1級鋼筋(HPB300)。

3 內力計算結果分析比較

(1)延性：是指材料的結構、構件或構件的某個截面從屈服開始到達最大承載能力或到達以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。結構除了要滿足承載力、正常使用，還要滿足在地震作用下的耗能能力，因此結構進行設計時，延性做為一個重要指標。

(2)體積配箍率：指單位體積混凝土內箍筋所占的含量，即箍筋體積(箍筋總長乘單肢面積)與相應箍筋的一個間距范圍內混凝土體積的比率。體積配箍率主要用于保證框架結構梁端部和柱節點區的抗剪能力，并提高構件在地震等反復荷載下的變形能力。

(3)軸壓比：軸壓比是指組合的軸壓力設計值與墻柱全截面面積與混凝土軸心抗壓強度設計值乘積的比值。兩種結構最大軸壓比均未超過規范規定限值，比較接近限值,延性都會明顯下降，尤其是框架結構(單純抗側力體系)，為了避免延性下降過多,應加大柱截面尺寸，尤其是角柱。本工程軸壓比中柱、邊柱、角柱最大值分別為0.62、0.57、0.55 ，為了提高延性將部分柱軸壓比較大的進行截面修改，同時將一、二層框架柱混凝土標號由C25提高到C30，使軸壓比相應的降低到0.52、0.49、0.45(表1)；另外對框架柱的箍筋直徑和箍筋間距在計算結果的基礎上有進一步提高，使其體積配箍率提高。通過截面大小、混凝土標號、體積配箍率三方面改善柱延性。

表1 異形柱的軸壓比限值

配筋率：是鋼筋混凝土構件中縱向受力(拉或壓)鋼筋的面積與構件的有效面積之比。配筋率過小會發生少筋破壞，過大則易發生超筋破壞，兩者均為脆性破壞，不符合延性結構設計的要求。本工程中個別中柱配筋率達到2.4 %,邊柱達到2.1 %,雖然滿足大于最小配筋率以及小于最大配筋率，但是按照初步配置,選16φ20、14φ22的鋼筋或兩種鋼筋組合，這樣導致鋼筋布置中，鋼筋的凈距無法滿足要求或鋼筋間距過小導致混凝土無法正常澆筑，影響混凝土質量。因此在設計過程中，將個別L、T形柱截面由600 mm變為700 mm。

另外，計算過程中，尤其是二層樓面框架梁，受到地震作用較大，導致內力相對其它層變大較多，導致縱筋配筋率過大、受剪不滿足最小截面要求、受壓區高度超過規范規定的限制。因此為了不影響結構的延性以及經濟效果，將二層框架梁的混凝土標號由原先的C25調整為C30，其它層仍不變；將原先的框架梁b×h=200 mm×500 mm調整為b×h=200 mm×600 mm(分別布置在建筑物最外邊緣的四周)、b×h=200 mm×450 mm調整為b×h=200 mm×500 mm(布置在建筑物內部)。這樣第一保證了配筋率不至于過大，第二便于鋼筋布置，第三保證了混凝土的質量，同時也使混凝土的相對受壓區高度比由原來的0.33變為0.24，滿足了規范的要求，保證了梁的延性(相對受壓區高度比：混凝土受壓區高度與截面有效高度高度之比。作用是為了防止將構件設計成超筋構件，要求構件截面的相對受壓區高度不得超過其相對界限受壓區高度)。結合延性梁的設計要求，盡量控制配筋率的大小，改大梁截面，以減小梁配筋率，增大間距。

4 異形柱的構造要求

為了避免短柱，異形柱要求柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比宜大于4；梁的凈跨與截面高度的比值不宜小于4；梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4和200 mm；異形柱截面的肢厚不應小于200 mm，肢高不應小于500 mm；異形柱的剪跨比宜大于2，抗震設計時不應小于1.5，這一點為了保證異形柱有較好的延性和耗能；剪力墻的要求可以執行相關鋼筋混凝土剪力墻結構的構造。

5 結束語

首先，滿足適用、美觀的情況下,承載力和經濟效果也比較理想。其次，異形柱由于翼緣的作用，使其結構的整體剛度較傳統的矩形框架增大，結構側移減少。最后，異形柱框架結構由于柱肢較小，截面內配筋較多，鋼筋凈距較小，扣除保護層厚度后有效核心區而積有限，鋼筋凈距較小，且異形柱結構凹角多，有明顯應力集中現象。