針對異形柱結構設計中的關鍵問題探析

【摘要】本文主要論述了多層建筑異形柱結構設計中的關鍵問題進行了詳細的探討，首先對異形柱框架結構與矩形柱框架結構在設計中的區別進行了分析，然后就異形柱框架結構設計的一些疑難問題，如異形柱的一般規定、縱筋箍筋的構造要求等進行了分析，可與共同工作人員共同探討。

【關鍵詞】多層建筑； 異形柱框架結構； 結構設計

一、異形柱結構特點分析

1、關于“一”形截面柱及“z”形截面柱

在《規范》中未采用“一”形截面柱及“Z”形截面柱、“一”形柱正截面承載力方面兩主軸方向抗彎能力相差甚大，不論是在風荷載作用下還是在地震作用下結構中的柱一般都是受到兩個方向的彎矩同時作用，其受力后果可想而知；同時“一”形柱在雙向剪力作用下性能也不好，由《混凝上結構設計規范》（GB50010-2002）柱雙向受剪承載力計算公式可知，柱截面相鄰兩邊邊長相差越多，其斜向受剪承載力越低。如沿“一”形柱短邊方向有梁與其相連，則此梁柱節點的核心區面積只有柱厚乘梁寬這一小部分，顯然承受不了它受到的節點剪力、\"Z”形截面柱與“一”形截面柱類似，即兩主軸方向抗彎能力相差甚大。在工程設計中應避免采用“一”字形截面柱，可采用部分普通矩形截面柱代替。而對于工程中經常遇到需要做“Z\"形柱的情況，在設計計算時較好的方法是在PMCAD輸入時將其按兩個“L”形柱來輸入并進行內力及配筋計算。因為\"Z”形柱受力較大時易在中間肢劈開，劈開后（極限狀態）其受力接近于兩個“L”形柱，按兩個“L”形柱處理較為合理。

2、關于異形柱各肢肢長

異形柱各肢肢長，可能相等，或不相等，但是提倡采用等肢異形柱。抗震設計時宜采用等肢異形柱，當不得不采用不等肢異形柱時，柱兩肢的肢高比不宜超過1.6，大于50 mm。試驗表明，異形柱的斜向受剪承載力較單肢軸向受剪高。

3、關于異形柱截面的肢高肢厚比。在《規范》中指出異形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4。研究表明，即使是同一種異型截面柱，當柱截面肢高肢厚比不同時，柱的性能會出現不同的差異，若異形柱截面各肢的肢高肢厚比控制在不大于4的范圍，則異形柱在偏心受壓狀態下的應變基本符合平截面假定，其力學性能符合柱的特性。需要指出的是，當截面肢高肢厚比在5一8范圍時，根據現行行業標準《高層建筑混凝上結構技術規程））（JGJ3-2002）的有關規定，此時應劃分為短肢剪力墻進行設計。

二、異形柱設計中的要點問題分析

1、縱筋構造要求

一是縱筋的布置。對“L”形、‘T”形和“十”字形截面雙向偏心受壓柱截面上的應變及應力分析表明：在不同的彎矩作用方向角時，截面任一肢端部的鋼筋均可能受力最大，為適應彎矩作用方向角的任意性，縱向受力鋼筋宜采用相同直徑；當軸壓比較大，受壓破壞時，在諸多彎矩作用方向角情形，內折角處鋼筋的壓應變可達到甚至超過屈服應變，受力也很大，同時還考慮此處應力集中的不利影響，所以內折角處也應設置相同直徑的縱向受力鋼筋。異形柱肢厚有限，當縱向受力鋼筋直徑太大（d>25 mm） ，會造成粘結強度不足及節點核心區鋼筋的設置的困難。當縱向受力鋼筋直徑太小時（d<14 mm），在相同的箍筋間距s下，由于s/d增大，使柱延性下降，因此也不宜采用。二是縱筋的配筋率。異形柱肢端的配筋百分率按異形柱全截面面積計算。異形柱肢厚有限，柱中縱向受力鋼筋的粘結強度較差，因此將縱向受力鋼筋的總配筋率由對矩形柱不大于5%降為不應大于4%（非抗震設計）和3%（抗震設計），以減少粘結破壞和節點處鋼筋設置的困難。

2、箍筋合理配置

異形柱柱端箍筋加密區的箍筋除應滿足受剪承載力計算要求外，尚應滿足體積配箍率條件以及根據異形柱本身特性確定的構造要求。一是箍筋間距與縱筋直徑之比s/d對縱筋壓曲的影響。研究表明，箍筋間距與縱筋直徑之比s/d，是異形柱縱向受壓鋼筋壓曲的直接影響因素，s/d大，會加速受壓縱筋的壓曲；反之，則可延緩縱筋的壓曲，從而提高異形柱截面的延性。二是箍筋間距s、縱筋直徑d及體積配箍率pV的合理調配。在箍筋合理配置的研究中發現，當體積配箍率pV相同時，采用較小的箍筋直徑d和箍筋間距S比采用較大的箍筋直徑d和箍筋間距S的延性好；只增大箍筋直徑來提高體積配箍率而不減小箍筋間距并不一定能提高異形柱的延性，只有在箍筋間距S對受壓縱筋支撐長度達到一定要求時，增大體積配箍率pV，才能達到提高延性的目的。

3、梁柱節點

節點是框架的梁柱相交區，需要承受上層柱柱端及木層梁梁端傳來的荷載并有效地傳遞到下柱中去。從而作用于節點區的邊界力一外力是梁端和柱端的彎矩、剪力、軸力有時甚至還有扭矩。因此，節點核心區處于十分復雜的受力狀態。而對于異形柱框架梁柱節點，則尚有另一正交外伸柱肢對核心區受剪作用的影響，更為錯綜復雜。試驗研究和計算分析表明，節點是異形柱框架的薄弱環節，其受剪承載力遠低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節點。為確保安全，《規范》中要求，異形柱框架應進行梁柱節點核心區受剪承載力計算，同時應滿足相應的構造規定。《規范》中對于節點核心區的箍筋最大間距和最小直徑以及節點核心區配箍特征值和體積配箍率最小值的規定，是從構造上保證在豎向荷載、風荷載和地震作用下，對節點核心區混凝上提供必要的約束并具有基本的抗剪能力。研究表明，梁端和柱端的彎矩、剪力、軸力、扭矩是通過鋼筋受拉及受壓傳遞到節點區的，通過混凝上受壓的力的傳遞，較易實現，但通過鋼筋受拉及受壓的力的傳遞，則必須依賴梁柱的縱向受力鋼筋的可靠錨固和粘結才能實現。因此保證梁柱縱向受力鋼筋在節點核心區中的可靠錨固和粘結十分重要。

三、結語

近幾年來，人們對房屋平面與空間布置的要求越來越高，從而對建筑設計布局有了新的要求。而且普通框架結構的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔己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。異形柱框架結構是一種全新的結構體系。異形柱框架結構與傳統的框架結構體系相比，由于肢厚與填充墻基本等厚。解決了普通矩形柱框架結構在房間內露柱造成的使用上不便的問題，使用面積相應增加了許多，同時解決了磚混結構超高和大開間要求存在的技術問題，因此該結構受到了建筑師及廣大用戶的歡迎，并推廣應用。異形柱框架結構樓板在框架整體協同工作中起到的作用較矩形柱框架結構強，故建議采用整體現澆樓面結構，在樓梯間及開較大洞口部位設置矩形柱，角柱為異形柱時角村邊樓板不宜開洞。對結構薄弱部位的樓板還應加厚并配置雙層鋼筋。由于異形柱框架結構的角柱多為“L“形柱，在單向地震作用下，角柱受到雙向水平力的作用，由此產生的剪應力還伴隨較明顯的附加扭轉作用、而“L”形柱的附加扭矩相對“T”形及“十”字形柱明顯，故在實際工程設計中對異形柱特別是角柱僅考慮其受剪力作用是偏于不安全的。有限元分析表明其內折角還伴有明顯的應力集中現象。故在設計中應適當加強其抗剪及抗扭承載力。

參考文獻

[1] 孫超，姚堯.淺析異形柱框架結構設計中應該注意的問題 [J]山西建筑，2010

[2] 梁啟雄，劉細林.異形柱結構體系抗震性能初探 [J].茂名學院學報，2010.