建筑工程中異形柱框架結構的設計探析

摘 要：異形柱框架結構因為使用過程中室內不會出現棱角、家具布置方便、房間的有效使用面積變大等優點，在我國得到了廣泛的應用。本文主要分析了異形柱框架結構體系的特點，并論述了異形柱框架結構的設計要點。

關鍵詞：異形柱；框架；結構；設計

隨著我國建筑產業的迅猛發展，人們對住宅建筑的要求也越來越高，普通的矩形柱框架結構已經很難滿足人們的要求，異形柱框架結構得到了快速的發展。異形柱框架結構是指由異形（T形、L形、十字形）柱組成框架，由輕質填充墻所形成的結構。使用這種結構，室內棱角較少、家具便于布置、房間的有效使用面積變大、填充墻與壁柱等厚、與填充墻連接良好，多應用于住宅建筑中，在我國倍受青睞。

一、異形柱框架結構體系的特點

異形柱框架結構是一種介于短肢剪力墻與矩形框架之間的結構體系，其肢高與肢厚之比愈小愈接近框架結構的受力特征，在當代的住宅建筑中得到了廣泛的運用。異形柱框架結構的受力特點及功能決定了它的特點：

一般，柱肢厚度為180～200mm，柱肢厚度與填充墻基本一樣，框架梁寬也同墻厚，室內不凸出梁柱，使用方便，并且比較美觀，使得房間的使用面積變寬，比相同形式的磚混結構多出了8%～10%的使用面積；

柱的平面布置很靈活，異形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；

異形柱框架與矩形框架相比，抗震性能要高很多，質量的變輕更是提高了其抗震性能，再者，抗側剛度也會影響抗震性能；

異形截面的柱肢角部是明顯的薄弱部位，尤其是梁底與柱肢交界斷面的柱肢角部，應力比較集中；

異形柱結構的梁高寬比大，柱肢狹長，使梁柱重疊部分多，在梁端一定范圍形成剛域；同時節點區較大而薄，在彈塑性階段，應計入節點區變形對結構變形的影響。

二、異形柱框架結構的設計要點

（一）結構平面的布置

異形柱框架結構的平面布置，除要滿足一般的框架結構的構造要求外，還應注意：結構平面布置應該盡量對稱，兩個主軸方向要協調，使合力中心盡可能和剛度中心重合，減少偏心距，相應調整異形柱柱肢高，使其滿足扭轉與平動第1周期比T3/T1

考慮采用雙向承重體系，并縱橫向相連接。

異形柱結構高寬比，在7度抗震設防時不應超過5，8度抗震設防時不應超過4。

各柱肢應盡量對齊，使柱肢與梁一起構成較規則、多跨的抗側力體系。

豎向布置應規則、均勻，避免出現過大的外挑和內收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯層；上下層柱變截面處異形柱剪心應重合。

（二）適用的房屋最大高度和最大高寬

異形柱框架結構在6度（O.05g）抗震設防烈度區，房屋最大高度24m，高寬比不宜大于4；異形柱框架在7度（0.10g）抗震設防烈度區，要求房屋高度小于35m，層數小于12層，建筑物的高寬比不宜大于5；在8度（0.20g）抗震設防烈度區，房屋高度小于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。

（三）結構計算分析

鋼筋混凝土異形柱框架抗震結構計算采用SATWE軟件，并用TAT軟件進行復核。

1.計算參數選擇

2.結構整體計算分析

采用SATWE軟件對異形柱的內力、配筋計算是按以下三步進行的。

（1）先求出各異形柱截面在主軸的慣性矩和方向角，并建立主軸的單元剛度，與梁剛度、墻剛度一起參與整體分析。

（2）整體分析后，把異形柱作用于形心的彎矩、軸力、剪力參照材料力學公式進一步分解到異形柱截面上每一關鍵點的應力，通過積分即得每一段柱肢在平面內的彎矩、軸力和剪力，柱肢平面外不考慮。

（3）然后以每段墻肢為一矩形截面，按照對稱配筋計算它的配筋。

3.構造設計

（1）異形柱軸壓比控制

在抗震設計中，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。軸壓比反映構件的變形能力，是影響混凝土柱延性的一個關鍵指標，對異形柱的抗裂和抗剪能力影響較大，是影響柱破壞形態的重要因素。由試驗結構分析，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，因而軸壓比大小會直接影響到柱的延性，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使混凝土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更要嚴格控制。

（2）柱壁厚度和砼標號的選擇

按照相關規范標準，從以往的實踐經驗來看，柱肢的厚度最小不少于200mm，宜采用200—250mm比較合理。對于10層及以上框架，其下面兩層梁柱節點處的鋼筋有時顯得比較密集，因此不宜減薄。在梁跨度較大時，柱子往往顯得截面不足，軸壓比太大，鋼筋過分密集。因此最好把一、二層柱砼標號提高到C40左右，避免采用加大壁厚的方案。當樓層更高時，不得已才采用加大壁厚的方法，因為異形柱的優點在于少占或不占層間面積，有利于家具的布置，若盲目采用加大壁厚的方案，則這個優點就不明顯了。如果確實不行時最后只能采用矩形柱代替了。

（3）柱與基礎的連結

由于異形柱截面形心比矩形柱難以確定，如果直接將異形柱連結到基礎，給設計和施工都帶來不便。另一方面，由于地基情況千變萬化，同一幢建筑物的基礎埋深經常有所不同，這樣在基礎梁與基礎之間可能會形成短柱，對抵抗水平力極為不利。設計中通常將這段短柱設為矩形柱，底層異形柱與矩形柱相連并與基礎梁連成整體，可以有效地減少水平力產生的應力集中，同時也方便基礎放線定位施工。

（4）框架節點設計

框架梁的截面寬度與異形柱的肢寬相等，或梁截面寬度每側凸出柱邊小于50mm時，在梁四角上的縱向受力鋼筋應在離柱邊大于800mm處，且滿足小于1/25坡度的條件下，向柱筋內側彎折伸入框架節點內。

當框架梁截面寬度的任一側凸出柱邊不小于50mm時，則該側梁角上的縱向受力鋼筋可在本肢柱筋外側伸入梁柱節點內。

總之，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。

參考文獻：

[1]袁彥波.淺析建筑住宅樓混凝土異形柱框架結構設計[J].建材與裝飾：上旬.2011（4）.

[2]韋宗成.淺談建筑工程中異形柱框架結構的設計[J].科學之友：下旬.2011（5）.

[3]謝華店.異形柱框架結構之優化設計分析[J].商品與質量：建筑與發展.2011（6）.