芻議形柱框架結構設計

黃紅晶

【摘要】隨著人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，普通框架結構的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔已越來越不能被房屋使用者所接受，，因為它直接影響到室內家具的布置及空間的使用。建筑師要求結構工程師配合解決這個問題，因而在框架結構中以異形截面柱代替矩形柱。異型柱框架結構體系在一定程度上滿足了上述要求，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。

【關鍵詞】異型柱；框架結構；設計方法

1、異形柱的結構特點

1.1由于異形柱采用T形、L形、十字形等截面形式，所以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。異形柱由于多肢的存在，其剪切中心與截面形心往往是不重合的，且在平面范圍之外，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，即產生腹剪裂縫，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。

1.2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表明，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。

2、異形柱框架結構設計的常見問題

2.1結構計算方面

（1）進行柱的配筋計算時，單偏壓、雙偏壓計算均適用于一般框架結構，但單偏壓計算不適用于異形柱結構，因此，只能選用雙偏壓計算。

（2）兩個主軸方向除了計算水平地震作用，還要驗算抗震驗算，此外，7度與8度還要驗算與主軸成45°方向。

（3）柱框架結構扭轉不規則時，根據《抗震》相關規定：建筑樓層豎向構件的最大水平位移與層間位移，對比該層兩端彈性水平位移與層間位移之間的平均比值要小于1.5，但對于異形柱結構此比值應小于1.45。

（4）按照規定，建筑樓層承載力出現變換時，薄弱層地震剪力按照1.15倍系數增加，但異形柱結構應按照1.2倍系數增加，設計者應該注意此系數并進行調整。

2.2截面方面

一般矩形結構，當其截面高寬之比值小于4且厚度小于300時，結構柱的受力性能就會下降，異形柱不適用，用于異形柱必須加強其結構設計。

2.3配筋方面

一般來說，框架梁配筋的布置遵循梁寬同柱寬的方式，但是在梁與柱的節點位置，需要把梁的鋼筋彎入柱的縱筋內側，由于異形柱柱肢厚度不足，容易導致節點位置的鋼筋間距過密，因此，框架梁配筋應結合異形柱的結構特點。

舉例說明：當框架梁寬度為200mm且柱縱筋直徑為1.6cm時，對于普通框架梁，其上部配置3根縱筋即可，假設梁縱筋直徑為a，當在異形柱結構的梁上部配置3根縱筋時，便出現如下結果：2×30-2×16-3a-3×1.5a=200，那么a=14.4mm，結果表明：在異形柱200mm寬的梁上部按普通框架梁一樣配置3根縱筋時，其直徑必須小于14mm，此值未考慮施工誤差；假如只配置3根14mm寬的鋼筋，在實際工程中，現梁柱節點位置也可能出現鋼筋過密的問題，所以，異形柱結構梁柱節點處的鋼筋數應≤2根。

2.4梁柱節點剪承載力方面

對于異形柱框架結構，由于其柱肢厚度較小，異形柱結構梁柱節點核心區的受剪承載力會小于普通框架結構的受剪承載力，造成異形柱梁柱節點核心區的受剪承載力出現超限情況，所以，進行異形柱結構設計時，應通過提高混凝土強度等級等方法解決此問題。

3、異型柱框架的結構的優化設計

3.1結構的布置

異形框架結構在進行布置的過程中，其異形柱的所設置的隔墻交叉點，必須要充分的滿足要求。不僅僅要對結構的合理布置進行考慮，還必須要最大限度的確保柱子所分布的均勻性，并且保證良好的改造余地。同時，對于跨度也應當要合理的進行調整，不要在客廳以及主臥室之中進行梁設置。如果在某些特殊情況下，客廳和陽臺臥室需要進行梁設置，那么可以采取在板內進行暗梁的方式。同時在有陽臺的臥室、客廳之中，可以直接向陽臺的兩側進行異形柱的翼柱外伸設置。如果說建筑結構的單元強和建筑的劉體檢不是出在一個共同的軸線位置之上，那么在對于拒不應力進行解決的過程中，就需要對T、L、Z型柱進行的設置。在一個結構單元之中，要的進行矩形柱設置，只要能夠設置都要進行設置。如果說在建筑之上有部分柱子需要進行錯位，那么為了避免過多柱體的錯位變換而出現薄弱環節的可能性，就需要保證變截面位置能夠形成極大的應力集中性，不采取下手上擴的形式來進行，僅僅知識在上層進行收應力處理。為了加強剛度可以把電梯和四周連接成筒，對平面剛度的對稱也要注意。剛度分布如果不均勻，在結構計算的時候要考慮因扭轉耦聯造成的影響。

3.2設計方法

現在異型柱結構設計方面國家還沒有統一的規范，只有天津和廣東兩個省對其有一定的施工標準可以供設計人員進行參考。在設計過程中不能簡單的把異型柱當作矩形柱的計算方法來計算，因為矩形柱和異型柱的截面形式差異性很大。現階段國內異型柱截面計算和設計軟件有天津大學的鋼筋鹼異型柱結構配筋計算程序CRSC、，廣東省建院的SS、SSW程序和建研院的TAT、SATWE程序。在設計的時候考慮到上述僅僅是地方的標準，則還需考慮一下部分：對柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比小于4的異形柱，應沿柱高全高加密箍筋，以減小地震作用下柱剪切脆性破壞的危險性和改善柱的變形性能；位于l形柱角處的縱向受力鋼筋為雙向共用；因荷載方向角的任意性，在異形柱內折角處也應設置相同直徑的受力筋；按肢長與肢寬之比定義異形柱或短肢墻很大程度是為了學術上的便利。但用TAT程序進行結構整體計算時，按異形柱模式可能導致結構剛度下降，應適當增加抗地震力；施工過程中對異形柱及其節點區應加以重視，采用骨料粒徑較小的混凝土進行澆筑，以確保施工質量

3.3框架的計算

異型框架比較特殊，在截面對稱軸收到作用力時，其撓曲應力在彈性分析時比較小，這時候就相當于承受水平力的偏壓構件，還可以按混凝土設計規范和平面假定分析計算。如果框架柱水平作用力較小的時候，仍可以按偏壓柱分析計算，此時誤差很小。異型柱可以通過面積和剛度相等的原則換算成矩形柱進行整體的分析和計算。水平力作用不是在主軸方向，水平作用力如果很大，那么撓曲應力就不能忽略，就需要對其進行有限元分析，來計算出配筋、內力的位置和大小。對內力和配筋計算時，選擇的軟件要能計算異型柱。

4、結語

異形柱框架結構雖然在結構上存在一定的缺陷，但有其存在的市場價值，在工程實踐中也的確經常被使用。所以我們應該在掌握其受力特性和結構特點、了解其結構破壞機理的基礎上選用合理的結構形式，正確地運用電算結果，滿足規范要求的各種構造措施，才能夠保證所設計的結構有可靠的安全度。

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