高層建筑異形柱受力分析與設計探討

郎 葳，魏國成

吉林省吉林輕工業設計院有限公司，吉林吉林 132013

異形柱結構是指柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

這種結構的特點是：

1）由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；

2）對于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h<4），剪切變形占有相當比例，構件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構件，即使發生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu為砼的極限壓應變，χ為截面受壓區高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；

3）異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協調變形和內力，這種變形協調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；

4）特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內外大量的試驗資料和理論分析[2]，異形柱的破壞形態為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。

目前，異形柱結構設計還沒有統一的國家規范，僅有兩部地方性法規，即廣東省標準DBJ/T15-15-95和天津市標準DB29-16-98可供參考。

在進行異形柱結構設計時，除滿足高規中對結構布置要求外，還應注意幾個方面的問題：

1）異形框架的計算

由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按砼設計規范計算，特別是在框——剪，框——筒結構中，對6度及其以下烈度區的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結構進行有限元分析，決定內力和配筋位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件。現在有一些軟件沒有異形柱截面形式，如要用它進行計算，要先進行等剛度等面積換算成矩形柱，進行整體分析，得到雙向內力后再進行異形柱的截面設計，其工作量相當大，且截面設計的可靠性不高。目前，國內可直接進行異形柱截面內力計算和截面設計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序，廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學的鋼筋砼異形柱結構配筋計算程序CRSC。這些程序均用數值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經過大量工程校算，能有效地滿足結構安全性要求。

2）軸壓比控制

對框架結構，框-剪結構，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關鍵指標。由試驗結構分析[3]，柱的側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。

在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關重要，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構件出現裂縫，產生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

在廣東規程中，其軸壓比按砼設計規范中的要求減少0.05，但其適用高度較低，一般為35m。當高層建筑的高度進一步加大時，其水平力的影響會愈來愈顯著，對結構的延性要求也愈高。由天津大學土木系對異形柱延性資料可知，影響異形柱延性的因素比普通柱要復雜，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平側移下，其延性性能也有較大差異，因而，軸壓比控制應參考天津規程。但天津規程的控制過于繁鎖，在結構計算中，柱的縱筋與箍面的直徑還沒有設定，因而箍筋間距與縱筋直徑的比值還無法確定。為在實際工作中便于使用，可按不同的截面形式（L、T、十字型）與不同的抗震等級兩項指標從嚴控制，對低烈度地區的這類結構是能夠滿足其延性要求的。

3）配筋構造

在正確的結構選型及計算后，截面內鋼筋的構造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現較大應力，加上梁作用于柱肢上應力的不均勻，一般越靠肢端應力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大肢端壓應力。因而在異形柱配筋時，應在肢端設暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。離端部厚度范圍內設2Ф14的構造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

總之，短肢剪力墻結構與異形柱框架結構有著較大的市場需求，在設計中根據其受力的特點，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證。