贺世强

榆林市恒泰建筑设计有限公司

异形柱框架结构设计浅析

贺世强

榆林市恒泰建筑设计有限公司

随着人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高，普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔已越来越不能被房屋使用者所接受， 因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题，因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱。异型柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求，它博采了框架及剪力墙结构体系的优点，它将是今后住宅结构体系的发展方向之一。

异型柱；框架结构；设计方法

1　异形柱及异形柱结构的定义

《混凝土异形柱结构技术规程》（GJ149-2006）对异形柱的定义是：截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比（肢柱截面高度与厚度的比值）不大于4的柱。

所谓异形柱框轻结构即是由异形（T型、L型、十字型）柱组成框架，由轻质填充墙所形成的结构。根据建筑布置及结构受力的需要，异形柱结构中的框架柱，可全部采用异形柱，也可部分采用一般框架柱。《规程》中目前仅列入T型、L型、十字型三种截面形式的异形柱，因此对此三种截面形式在实际工程中应用较多，积累的实验研究、理论研究及工程实际经验较多。而对其他形状截面的柱，由于目前缺乏充分的研究成果而未列入，为适应异形柱结构发展的需要，有待今后进一步研究充实。

2　异型柱框架结构设计中的有关问题

2.1结构平面布置

异型柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定、设计要求外，还应考虑自身的特点，注意以下几点：

（1）异形柱结构宜采用规则的设计方案，异形柱结构的一个独立单元内，结构的平面形状宜简单、规则、对称、减小偏心，刚度和承载力分布宜均匀；

（2）建筑的立面和竖向剖面宜规则、均匀，避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，尽量避免错层；

（3）结构的侧向刚度沿竖向宜均匀变化，避免抗测力结构的侧向刚度和承载力竖向的突变，竖向结构构件的截面尺寸和材料强度不宜在同一层变化。

2.2设计方法

异型柱和矩形柱的截面形式差异很大，不能简单把矩形柱的计算方法应用到异型柱中，异形柱结构的分析模型应符合结构的实际受力状况，内力和唯一分析应采用空间分析模型，可选择空间杆系模型、空间杆-薄壁杆系模型、空间杆-墙板元模型或其他组合有限元模型。在设计中应注意以下几个问题

（1）用TAT程序进行结构整体计算时，按异形柱模式可能导致结构刚度下降，应适当增加抗地震力；

（2）在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用，而对于异形柱框架结构，由于侧向刚度较小，有时侧移会超过规范允许值；

（3）剪跨比不大与2的柱及因设置填充墙等形成的对柱的净高与柱截面长边尺寸之比小于4的异形柱，应沿柱高全高加密箍筋，以减小地震作用下柱剪切脆性破坏的危险性和改善柱的变形性能；

（4）异形柱结构的地震作用计算，一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担，7度（0.15g）及8度，（0.20g）时尚应对与主轴成方向进行补充验算；

（5）位于L形柱角处的纵向受力钢筋为双向共用；

（6）为安全起见，对抗震等级三级及三级以上的结构，应对节点进行计算，以保证节点区的可靠性；

2.3构造设计

（1）柱壁厚度和砼标号的选择 异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm；混凝土强度等级C25～C50；异形柱的剪跨比宜大于2，抗震设计时不应小于1.5。

（2）纵向钢筋和箍筋 因异形柱肢厚薄，为节点施工方便，纵向受力钢筋每边不宜过多，宜用2根，且应选取较大直径钢筋以减少根数。

3　异形柱结构构造的设计心得

（1）《异规》第6.1.3条规定，异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm。梁截面高度太小会使柱纵向钢筋在节点核心区内锚固长度不足，容易引起锚固失效，损坏节点的受力性能，特别是地震作用下的抗震性能，为避免上述现象出现，规定梁的高度、即节点高度不能太小。异形柱结构框架节点钢筋粘结条件可能不如普通框架节点钢筋粘结条件，故务必遵守此条规定。

（2）《异规》第6.1.4条规定，异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。根据近年异性柱结构的工程实践，肢厚小于200mm时，会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，故限制肢厚不应小于200mm，以保证结构的安全及施工的方便。而限制肢高一方面为了满足伸入柱内的梁纵向钢筋锚固长度，另一方面是考虑柱双向正截面承载力要求和双向受剪性能的要求。

（3）《异规》第6.3.5.1条规定，抗震设计时，对二、三级抗震等级，贯穿中柱的梁纵向钢筋直径不宜大于该方向肢柱截面高度hc的1/30，当混凝土的强度等级为C40及以上时可取1/25，且纵向钢筋直径不应大干25mm。矩形柱框架的框架梁纵向钢筋伸入节点后，其相对保护层一般能满足，而异形柱的c/d大部分仅为2.0左右，根据变形钢筋粘结锚固强度公式分析对比可知，后者的粘结能力约为前者的0.7。为此，规定抗震设计时，梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱截面高度的1/30。由于粘结锚固强度随混凝土强度的提高而提高，当采用混凝土强度等级在C40以上时，可放宽到1/25。

（4）《异规》第6.3.5.4条及表6.3.5给出了异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。这比《抗规》第6.2.3条规定的梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%要严格。这是因为，在地震作用组合内力作用下，梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉，另一侧受压，对于异形柱框架梁柱节点更易引起纵向钢筋在节点核心区的锚固破坏。

［1］混凝土异型柱结构技术规程（ JGJ149-2006）［S］.

［2］大开间住宅钢筋混凝土异型柱框架结构技术规程（DB29-16-98）［S］.