異形柱框架結構設計的幾點思考

陳慧敏

（新昌縣一建公司建筑設計所，浙江 新昌 312500）

1 前言

隨著房地產的發展，異形柱框架結構體系被廣泛地應用于住宅設計中.與傳統結構相比，由于采用了“T”形邊柱、“十”字形中柱、“L”形角柱，避免了房間邊角因采用矩形柱時所產生的棱角突出，從而使房間平整、布置靈活、方便，深受用戶歡迎。異型柱框架結構體系在一定程度上滿足了用戶對住宅功能的要求，它博采了框架及剪力墻結構體系的優點，它將是今后住宅結構體系的發展方向之一。異型柱框架結體系具有以下主要優點：(1)柱肢厚通常采用l80mm-200mm，肢厚基本與填充墻等厚，框架梁寬也同墻厚，室內不凸出梁柱，便于使用又美觀，同時還增加了房間的使用面積，比相同形式的磚混結構可增加約8%～10%的使用面積；(2)圍護墻通常是非承重的輕質隔墻，原則上允許任意穿墻打洞，甚至拆除重砌，這使得房間布置更加靈活，能更好地實現建筑功能的要求；(3)雖然增加了施工難度，但因擴大了使用面積，加之自重較輕，減少了基礎費用，綜合考慮總體經濟效益較好。

2 異形柱結構設計的一般規定

2.1 結構布置

與一般鋼筋混凝土框架結構相比，異形柱框架結構在結構布置時應注意以下原則：(1)結構平面宜盡量對稱，使平面和剛度均勻，2個主軸方向應協調布置，避免扭轉帶來的不利影響；如果有明顯的不對稱，應考慮扭轉對結構受力的不利影響。(2)異形框架宜雙向設置，框架柱應對齊，框架梁應拉通，避免縱橫框架梁相互支撐，使結構形成空間受力并具有足夠的承載能力、剛度和穩定性，同時具有良好的整體性和較好的抗震性能。(3)豎向布置應力求體型規則、均勻，避免過大的外挑和內收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯層。

2.2 適用高度、高寬比及長細比限制

異形柱框架在7度抗震設防烈度區，要求房屋高度^≤35In，層數<12，建筑物的高寬比不宜大于5；8度區房屋高度不大于25m，建筑物的高寬比不宜大于4。另外，柱凈高與截面長邊之比，即長細比宜大于4小于8。長細比小于4(即短柱)，容易發生脆性剪切破壞；長細比大于8，易引起失穩破壞。

2.3 抗震等級

異形柱框架結構應根據結構類型、房屋高度及抗震設防烈度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造措施要求。

3 異形柱的結構計算方法

目前，異形柱的結構設計還沒有統一的國家規范，僅有兩部地方性法規，即廣東省和天津市的標準叫可供參考。異形柱不宜套用普通柱的配筋公式，也不宜直接用剪力墻的配筋公式，一般來說，有以下幾種計算方法。

3.1 直接計算法

根據國內外的部分試驗結果，進行統計分析，擬合成經驗公式。即按T型截面分別計算出縱向力作用x軸及y軸，考慮相應的初始偏心距增大系數后，按僅考慮曲肘邊縱向受力鋼筋計算的偏心受壓構件所能承載的縱向力Nx和Ny，然后以初始偏心距與截面邊長的比值為參數進行修正。

3.2 等代矩形柱計算法

3.2.1 將異形柱截面折算成慣性矩相等的矩形截面且將等代矩形柱的形心置于異形柱兩肢桿軸線的交點上。

3.2.2 將其輸入空間分析程序 (如TBSA)進行位移和內力計算，可簡化工作量。

3.2.3 以上電算輸出的是作用在等代矩形桿形心處的組合內力，需將其回歸到各個單肢截面的形心處。這樣每個單肢就可按其各自的組合內力進行正、斜截面的配筋計算。

這種用面積等效換算作抗壓抗剪分析的方法在工程中應用較多，但用這種方法計算時應明確的是按矩形柱計算時得出的內力要轉換到異形柱上斷面形心的位置.然后按異形柱計算配筋；按矩形柱得出的軸壓比應乘以矩形柱斷面面積與異形柱斷面面積之比值才是異形柱的軸壓比。

3.3 先配筋再復核法

對于有經驗的設計人員，在參考一些相關算例的前提下，可以先對異形柱配筋再復核截面就顯得更為簡便，截面復核時可分x軸和y軸均按T型截面分別復核。

不論是哪種計算方法，都可以參與GB 50010 2002混凝上結構設計規范有關偏心受壓構件的內容來進行計算。

4 異形柱框架結構的計算和配筋要點

普通框架柱一般采用方形或矩形，為了使2個主軸方向的受力性能相差不大，一般要求h/n≤1.5，剪力墻肢一般要求 hw/bw>4，而異形柱作為一種新型的承受豎向力構件，hz/b22～4介于框架柱與剪力墻之間，從而使其受力特點亦介于普通框架柱與剪力墻之間。異形柱內力計算時，既不能完全按普通框架柱，亦不能照搬剪力墻肢進行。

目前，大多數設計人員采用由中國建筑科學研究院高層建筑技術開發部《多層及高層建筑結構空間分析程序TBSA》進行內力計算。由于程序是以矩形截面柱為研究對象的，而對異形柱的結構幾何數據輸入無明確規定，輸入時把異形柱用具有相同抗彎剛度的矩形柱等替換，然而由于框架柱屬于壓剪構件，除了要求有相當的剛度外還應有較好的抗剪能力，為保證柱子具有一定的延性，設計時通過對剪跨比、軸壓比、主筋配筋率、配箍率進行限定，使異形柱有較好的抗震性能。

4.1 剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受彎矩與剪力相對大小的一個參數λ=Hn/2h，是影響框架柱破壞形態的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱凈高與柱截面肢長之比。由于異形柱的抗剪性能差，選擇異形柱截面時，為避免出現短柱，控制λ>Hn/h4，亦即 λ=Hn/2h>2。

4.2 軸壓此的限定

軸壓比是指柱組合的軸壓力設計值與柱全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積之比。即λtN=N/Acfc。它是影響柱破壞形態和變形能力的另一個重要因素。有關研究結果表明：軸壓比對異形柱的影響遠遠超過對普通矩形柱的影響，為保證異形柱的延性，必須嚴格控制軸壓比，柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現小偏壓破壞，并應滿足抗震要求，同時避免長細比小于4的短柱。由于異形柱的截面積比具有相同抗彎剛度的矩形柱小，因此用矩形柱替換后計算出的軸壓比數值不能直接應用于異形柱。而異形柱的軸壓比的限值在規范中又無詳細規定，考慮到異形框架柱的抗扭、抗震性能較差，一般認為，設計中應按《混凝土結構設計規范》規定的軸壓比限值減少0.05選用。

4.3 抗震調整系數的選取

考慮地震作用組合的異形柱，其截面承載力應除以承載力抗震調整系數γRE。對于正截面承載能力，取γRE=0.8；對于斜截面承載力取γRE=0.85。

4.4 梁、柱配筋時應注意的問題

由于梁和柱肢的寬度較小，因此，施工圖配筋時必須注意鋼筋的直徑、根數和鋼筋間的凈距應滿足構造要求，保證混凝土澆筑、振搗的可行性和合理性，否則混凝土的施工質量難于保證，這種結構形式也就難于推廣。當計算配筋量確實需要增加時，建議按雙排鋼筋放置的辦法解決。

理論上，隨著配筋率p的增大，承載能力隨之增大，但一般我們在設計時，柱的配筋率宜控制在0.8% ～10% 。如果保持其它條件不變，增大箍筋直徑d或減小箍筋間距都能提高柱截面的延性和強度。因為箍筋不僅能防止脆性的剪切破壞，而且能約束棱芯混凝土，提高混凝土的極限變形能力，減小縱筋的無支撐長度，延緩縱筋失穩，所以地震區異形柱框架粱柱箍筋的配置，還必須滿足抗震構造要求。

異形柱截面雙向偏心受壓時，由于沒有對稱的中和軸，故力學分析和配筋計算較為復雜，必須借助于有關規程和計算機軟件才能進行設計，對計算機輸出的結果，必須嚴格認真的核對，在安全上確認可靠后再用到工程中去。

5 結束語

異形柱框架結構有著較大的市場需求，在設計中應根據其受力的特點，充分了解其破壞的各種機理，選用合理的結構形式，正確掌握計算機分析方法和截面配筋，其結構才能有可靠的安全保正。

[1]朱鋼懋.異形柱框架結構設計探討[J].中華建設.[2]趙騰飛.大開間異形柱框架結構設計[J].山西建筑，2008-04-10

[3]林喜斌，盧傳香.對異形柱框架結構設計的綜合分析[J].建材與裝飾(中旬刊)，2008-06-11.