異形柱框架結構設計的分析

【摘 要】為適應住宅平面靈活布置，異形柱框架結構是一種較好的結構形式。本文對異形柱框架設計的特點及計算分析、構造措施等方面進行了探討，并給出成功的工程設計實例。

【關鍵詞】異形柱；結構；設計

【Abstract】In order to adapt to the flexible layout of the residential floor， the special-shaped column frame structure is a better structural form. In this paper， the characteristics， calculation analysis and construction measures of the special-shaped column frame design are discussed， and a successful engineering design example is given.

【Key words】Shaped column；Structure；Design

本人從事建筑結構設計工作近二十多年，獨立完成的中高層以上結構設計工作三十多項，在二00八年參與設計的“懷集雅豪庭園小區工程”項目被評為肇慶市優秀設計二等獎。現結合實際經驗對該項目異形柱框架結構設計進行探討。

1. 異形柱框架結構的特點

1.1 異形柱結構是采用T 形、L 形、十字形等截面的異形柱代替一般框架柱作為豎向支承構件而構成的結構，其截面各肢的肢高肢厚比不大于4。異形柱各肢肢長可能相等，也可能不相等，但提倡采用等肢異形柱。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。異形柱在滿足受力的前提下，肢厚宜與相連填充墻等厚，若比相連填充墻體厚，出現柱楞，則將失去美觀、使用方便的基本意義。

1.2 與普通框架相比，異形柱框架結構總體側向剛度較小，豎向整體顯得較柔。異形柱截面有一根對稱軸或無對稱軸，對荷載方向較敏感，抗扭剛度較差，因此異形柱抗扭能力較普通框架差。異形柱框架中的梁柱截面較薄，施工時不易搗實，再加上梁柱交接處應力集中，削減了節點核心區的體積，使節點抗剪承載力降低。

1.3 異形柱框架結構的平面布置，除應遵守一般框架結構的構造措施、相關規定、設計要求外，還應綜合考慮自身的特點，注意以下幾方面的問題：

（1）平面布置宜盡量對稱，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，盡量減少因扭轉產生的不利影響；

（2）考慮采用雙向承重體系，并縱橫向相連接；

（3）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。

（4）異形柱應重點布置在房屋中影響使用的墻角部位，其它部位從受力合理和施工方便兩個方面考慮宜采用矩形截面柱。這樣兼顧了使用和安全兩個方面，充分發揮了異形柱使用和受力的特點。

2. 異形柱的計算分析

2.1 計算方法。

在低烈度區， 且水平力作用在截面對稱軸內時（ 如異形柱為十字形） ， 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， 按混凝土設計規范計算。而在高烈度區， 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， 應選用帶有異形柱計算功能的軟件。

2.2 計算模型。

由于在實際工程中所布置的豎向構件往往不全是異形柱， 其中經常會混合采用墻肢相對較長的剪力墻（一般剪力墻或部分短肢剪力墻），形成異形柱框架） 剪力墻結構。在這類結構的計算模型輸入時， 有的設計人員常會把異形柱按短肢剪力墻輸入， 有的甚至將異形柱框架結構的全部異形柱按短肢剪力墻輸入， 這樣勢必造成計算誤差， 而且發現有些構件的誤差會影響結構、構件的安全。如框架梁， 按異形柱輸入的， 梁長取兩端異形柱形心長度；而按短肢剪力墻輸入的， 梁長取墻肢端點長度， 兩種方法引起梁內力、配筋有較大出入。

3. 構造措施

異形柱的受力情況復雜，結構延性相對較差，單純依靠目前的程序計算配筋尚難滿足結構抗震的延性要求，因此必須加強構造措施，從概念出發，保證結構具有足夠的安全度。

3.1 結構平面布置。

異形柱框架應設計成雙向剛接梁柱抗側力體系，根據結構平面布置和受力特點，可設計成部分異形柱部分矩形柱的形式，特別注意在受力復雜部分采用矩形柱。平面布置宜使結構平面剛度均勻對稱，盡量控制或減小扭轉效應：豎向布置注意體型力求簡單規則，避免過大的外挑內收，避免樓層剛度沿豎向突變；柱網尺寸不易過大，一般不超過6m，柱矩大梁高也大，一方面建筑凈空難以滿足要求，另一方面柱承受的軸力也大，軸壓比高，于抗震不利。為保證梁板對異形柱節點的約束，宜采用現澆樓蓋。

3.2 軸壓比及柱配筋。

（1）對于柱而言，控制其延性的因素很多，不管對矩形柱還是異形柱，軸壓比無疑是最重要的控制條件之一，其側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降，對異形柱更應從嚴控制。這可以通過控制柱距、采用輕質墻體、優化結構平面布置改善。柱肢端承受梁傳來的集中荷載，局部壓應力大，可設置暗柱。曹萬林等《鋼筋混凝土帶暗柱異形柱抗震性能試驗及分析》表明：帶暗柱異形柱與普通異形柱相比，承載力及延性和耗能能力有顯著提高。

（2）異形柱截面的剪力中心與截面形心不重合，剪應力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪壓構件出現裂縫，產生腹剪破壞，導致柱脆性顯著，延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出現單純翼緣受壓，此時柱的延性最差，因此需要進一步提高異形柱的抗剪能力。除此之外，盡量避免短柱的出現，對剪跨比小的短柱要采取相應的加強措施，以免形成薄弱環節。

3.3 節點構造。

節點已經成為異形柱結構的薄弱環節，考慮到節點處鋼筋的錨固以及保證節點區混凝土澆筑的質量，柱鋼筋數量不宜過多且直徑不宜過大。

4. 工程實例

肇慶市懷集縣雅風苑異形柱框架住宅樓長49.2m，寬20m，建筑面積5808m2左右，首、二層高3.6m，住宅八層，其余層高3.0m，最大建筑高度為25.2m。本工程設計基準期50年，抗震設防烈度為6度，地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.05g。本工程建筑場地為Ⅱ類場地，按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施。該工程結構抗震等級為四級。場地的特征周期=0.305，水平地震影響系數最大值。max=0.04基本風壓0.5KN/mz，地面粗糙為C類，風壓體形系數、風壓高度變化系數及風振系數均按GB50009-2001《建筑結構荷載規范》的規定采用，樓面活荷載標準值按荷載規范取值。同時重視抗震概念設計，加強構造措施。目前已竣工驗收交付使用，經觀察結構整體狀況良好。

5. 小結

近年來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，使得普通的矩形框架柱給室內裝飾和家具布置帶來極大的不便，異型柱框架結構體系在一定程度上滿足了上述要求。從結構受力角度來說，它博采框架加剪力墻體系之長，平立面布置近于框架結構，柱的截面形式又不拘泥于矩形，將截面積向工程軸外鋪開成T形、十字形、L型等，用較少的混凝土材料，獲得了較大的剛度；同時配合輕質填充墻的使用，結構重量比一般框架更輕。適中的剛度和較輕的自重，對減小地震作用很有利，是一種經濟合理的抗震住宅結構體系。

參考文獻

[1] JGJ149-2006， 《混凝土異形柱技術規程》.

[2] 黃銳，抗震設防高烈度區異形柱結構設計應注意的兩個問題，建筑結構，2005（5）.

[文章編號]1619-2737（2018）05-22-844

[作者簡介] 李煥成 （1978-），男，建筑結構專業，職稱：結構工程師。