淺談建筑工程中異形柱框架結構的設計

韋宗成

（大化縣建筑設計室，廣西 河池 530800）

隨著我國住宅產業的迅速發展以及人們對住宅建筑使用要求的不斷提高，普通的矩形柱框架結構，住宅室內外露的框架柱影響家具布置空間的使用，較難適應業主的要求。近年來，從多層框架結構衍生發展的異形柱框架結構因其能根據建筑物房間布置異形柱，柱肢寬與填充墻基本相同，室內不出現柱棱角，平面布置靈活，能較好地滿足建筑使用上和結構性能上的要求，而逐漸得到了推廣應用。

1 異型柱框架結構體系的特點

異形柱框架結構是介于短肢剪力墻與矩形框架之間的一種結構體系，其肢高與肢厚之比愈小愈接近框架結構的受力特征，一般應用于住宅中。異形柱框架結構的受力特點及功能決定了異型柱框架結構體系具有如下特點：①柱肢厚通常采用180～200 mm，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柱的平面布置很靈活，異型柱結構的圍護墻通常是非承重的輕質隔墻，受建筑的限制較少，這使得房間布置更加靈活，可很好地滿足業主對大開間建筑的需求；③異型柱框架與矩形框架相比，抗震性能有明顯的提高，質量減輕是其抗震性提高的主要原因，此外，抗側剛度對抗震性能的提高也有一定的影響；④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 異型柱框架結構的設計要點

2.1 結構布置

與—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要點：

（1）為了避免扭轉帶來的不利影響，結構平面宜盡量對稱，使平面和剛度均勻，兩個主軸方向應協調布置；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）為了避免過大的外挑和內收，防止樓層剛度沿豎向的突變，豎向布置應力求體型規則、均勻，盡量避免錯層。

（4）受力復雜部位的異形柱，宜采用一般框架柱。

2.2 適用的房屋最大高度和最大高寬

異形柱框架結構在6度（0.05 g）抗震設防烈度區，房屋最大高度24 m，高寬比不宜大于4；異形柱框架在7度（0.10 g）抗震設防烈度區，要求房屋高度小于35 m，層數小于12層，建筑物的高寬比不宜大于5；在8度（0.20 g）抗震設防烈度區，房屋高度小于25 m，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

抗震等級的高低，體現了對抗震性能要求的嚴格程度，它是計算和構造上保證結構延性和變形能力而采取的必要措施?？拐鸬燃壱话愀鶕貐^的抗震設防烈度、結構類型、結構高度來確定。由于異形柱框架其延性低于矩形柱框架，因此其抗震等級也高于同高度的矩形柱框架結構。

2.4 結構計算

異形柱框架結構的內力和位移應按照彈性方法進行計算，并考慮抗側力結構的共同作用。一般采用較多的方法是先將異形柱截面換算成等慣性矩的矩形截面柱，然后再利用常用的空間分析程序進行結構和位移的計算等內容。異形柱的截面尺寸主要考慮的是軸壓比，還需要同時綜合考慮其他方面的因素。設計計算內容主要包括：異形柱結構截面承載力計算、異形柱結構的延性和剛度計算以及異形柱結構抗震性能的研究等主要內容。

3 設計實例

3.1 工程概況

某建筑地下一層（層高3.6 m），地上7層（層高3 m），頂層為坡屋頂，總層高為3×7＋3.6＝24.6 m。經過研究討論，該工程確定采用異形柱框架結構設計，地下本工程抗震設防烈度為7度，異形柱框架結構的抗震等級為三級，異形柱結構彈性層間位移角限值為1/600，彈塑性層間位移角限值為1/60，軸壓比限值：L形0.60，T形0.65，十字形0.70。

3.2 標準層建筑圖

標準層建筑圖，見圖1。

圖1 2、3、4、5層平面圖

3.3 平面布置

（1）鑒于異形柱受力復雜且抗震性能不好，能采用矩形柱的地方優先采用矩形柱，對于臥室等對空間有要求的地方采用異形柱。

（2）設計時應和建筑師商量盡量使縱橫柱網軸線對齊拉通，震害表明柱網軸線不對齊形不成完整的框架，可能因扭轉效應和傳力路線中斷等問題引發嚴重震害。

（3）對于異形柱結構L形柱宜采用兩肢等長的柱，但是由于建筑方案地下室一側為停車庫，為了保證車子出入的寬度，這一排異形L柱均采用不等長的柱，但保證兩肢肢高比不超過1.6。

（4）在用 PKPM 建模時，因為建筑圖中有部分軸線間離不大，若建兩個節點容易出現短梁，而且建兩個節點柱子只能布置在一個節點上，另一節點上的梁程序不可以搭在此柱上，這樣程序計算時容易出錯，所以對此問題的解決辦法是兩軸線間離不大時，一軸線上的梁柱采用偏心方式布置在另一軸線上，這樣就解決了短梁和不認梁搭柱的情況。

（5）電算建模中柱子配筋要采用雙偏壓原則，考慮雙向地震作用計算。

3.4 PKPM計算

PKPM計算結果，見表1、表2。

表1 周期、地震力與振型輸出文件（側剛分析方法）

表2 SATWE位移輸出文件

PKPM 系統完成了異形柱的布置、計算、施工圖設計，但在異形柱布置時，要注意偏心、轉角的應用；在TAT或SATWE計算時要知道異形柱的剛度計算、剛域計算、整體內力到柱肢內力的分配計算，特別是軸力的分配計算和異形柱的配筋計算；在繪制施工圖時要了解異形柱的構造要求和角點筋的配置，架立分布筋的設置。

3.5 其他方面

頂層托斜層頂的柱，規程沒涉及，它所受軸力、彎矩均不大，柱本身強度沒問題，關鍵是頂部結構的整體性能。設計人員自動把握抗震設計的異形柱結構不應有的錯層，原因是避免形成短柱，但樓梯處容易形成短柱，所以，在樓梯間兩側布置剪力墻，其他地方可用異形柱，但能用方柱的地方盡量用方柱。

4 結束語

民用建筑的市場需求日益朝著大開間、大空間的方向發展，給異形柱框架結構體系帶來了廣泛的應用前景，尤其是在地震烈度7度以下地區，它不失為一種安全、經濟的結構方案選擇。當然，異形柱框架結構的弱點不容忽視，但其優點也很明顯。只有在設計中遵循概念設計要求，充分了解異形柱的受力特點和破壞機理，選用合理的結構布置，處理好結構構造，正確使用計算機分析方法，才能確保結構安全可靠、經濟適用。

1 黃東.異型柱框架結構設計中的幾個問題探討［J］.沿海企業與科技，2009（8）

2 《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149－2006）

3 楊超、張云.異形柱框架結構的特點與設計［J］.山西建筑，2010（12）