異型框架柱結構在工程中設計心得和分析

摘 要：近年來，隨著人們對房屋平面與空間布置的要求越來越高，對建筑設計布局有了新的要求。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。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的形式油然而生，本文詳細闡述了異形柱框架的受力特點，對設計實際工程中異形柱結構的分析計算、構造措施等方面進行了探討，并給出成功的工程設計實例。在此，筆者擬與廣大設計人員共同探討一下混凝土異形柱框架結構的設計心得與應用。

關鍵詞：異形柱結構；框架結構；結構設計

引 言

異形柱框架或異形柱框架-剪力墻結構作為一種全新的結構形式廣泛用于多層，小高層住宅建筑中，相對于傳統的短肢剪力墻或框架結構，能更好的滿足建筑需求且造價略有降低，因此具有更好的經濟效益和社會效益。

異形柱框架結構是指全部或部分柱截面為L形、T形、十字形（以L形柱作角柱，T形柱作邊柱，十字形柱作中柱），截面高與肢厚之比小于或等于4的框架結構。結合實際設計施工圖紙，異形柱結構的形狀也不再拘泥于L、T、十字型這些基本圖形，還出現了各種其他圖形，在計算時需要靈活應對，適用抗震設防烈度為6度或7度的地區。

1 關于異形柱框架結構的特點

（1）異形柱與矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，實驗研究及理論分析表明：異形柱的雙向偏壓正截面承載力隨荷載（作用）方向不同而有較大差異。在L形、T形和十字形三種異形柱中，以L形柱的差異最為顯著。當異形柱結構中混合使用等肢異形柱與不等肢異形柱時，則差異情況更為錯綜復雜，成為異形柱結構地震作用計算中不容忽視的問題。實驗表明，異形柱在單調荷載特別在低周反復荷載作用下粘結破壞較矩形柱嚴重。對柱的剪跨比不應小于1.5的要求，是為了避免出現極短柱，減小地震作用下發生脆性粘結破壞的危險性，為了設計方便，當反彎點位于層高范圍內時.柱的凈高與柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震設計時不應小于3。

（2）異形柱多為兩肢、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力時要靠各肢交點處核心混凝土協調變形和內力分布。由彈性分析知道這種變形協調使各柱肢存在相當的翹曲正應力和剪應力，而該剪應力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通壓剪構件出現裂縫，其次對各肢相交之核心混凝土，使其單元應力呈三維剪壓狀態，由此使異形柱較普通框架柱變形能力低，脆性破壞明顯。

（3）異形柱框架梁柱節點核心區的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節點的受剪承載力，是異形柱框架的薄弱環節。為確保安全，對抗震設計的二、三、四級抗震等級柱節點核心區以及非抗震設計的梁柱節點核心區，均應進行受剪承載力計算。在設計中，尚可采取各類有效措施，包括例如梁端增設支托或水平加腋等構造措施，以提高或改善梁柱節點核心區的受剪性能。對于縱橫向框架共同交匯的節點，可以按各自方向分別進行節點核心區受剪承載力計算。

（4）異形柱作為壓剪構件，由于其肢長與肢寬之比以及肢寬等介于普通框架柱和剪力墻肢之間，說明異形柱是介于兩者之間的一種“過渡性”構件。試驗和分析表明異形柱作為壓剪構件，其破壞形態有：彎曲破壞，小偏壓破壞，粘接破壞，高壓剪破壞以及剪壓破壞，剪拉破壞和斜壓破壞。和其破壞形態相關的主要因素是：軸壓比、柱凈高與截面肢長之比（即剪跨比）、縱筋配筋率等。通過必要的構造措施可以防止粘結、剪拉及斜壓等脆性破壞，提高柱肢的小偏壓及剪壓破壞的延性。

2 異形柱框架結構在SATWE中的設計與應用

SATWE能有效地分析混凝土異形柱的結構并進行截面配筋設計，在梁的剛度、荷載、及截面配筋計算時，充分考慮了異形柱框架結構的特殊性。由于混凝土異形柱的柱肢較長，梁、柱在節點處的重疊部分較大，合理的力學模型簡化應將重疊部分作為剛域，自重計算時不應重復計算重疊部分的混凝土重量，SATWE軟件中對梁考慮了這樣的力學模型簡化：

（1）梁的計算按扣除剛域后的梁長計算：

（2）梁上的外荷載按梁兩端節點間長度計算；

（3）截面設計按扣除剛域后的梁長計算；

（4）梁端剛域的計算原則如下：

記梁兩端與柱的重疊部分長分別為Di和Dj，梁長為L（即兩端節點問的距離），梁高為H，則梁兩端的剛域的長度分別為：

Dbi=Ma×（0，DiH/4） Dbj=Ma×（0，Dj-H/4）

扣除剛域后的梁長為：LO=L-（Dbi+Dbj）

《異規》第6.1.3條規定，異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。這是因為肢厚較小時，會造成梁柱節點核心區的鋼筋設置困難及鋼筋與混凝土的粘結錨固強度不足，故限制肢厚不應小于200mm，以保證結構的安全及施工的方便。而限制肢高一方面為了滿足伸入柱內的梁縱向鋼筋錨固長度，另一方面是考慮柱雙向正截面承載力要求和雙向受剪性能的要求。異形柱結構框架梁截面高度抗震設計時不應小于400mm。當節點的非彈性變形較大時，貫穿節點的柱縱向鋼筋粘結退化與滑移加劇，甚至出現沿節點區柱縱向鋼筋全長粘結破壞、現象發生。為保證其粘結應力不致過大，避免上述現象出現，規定梁的高度、即節點高度不能太小。異形柱結構框架節點鋼筋粘結條件可能不如普通框架節點鋼筋粘結條件，故務必遵守此條規定。

對于異形柱框架結構來說，在把握規范和在SATWE計算中還有許多需要注意的地方，這里僅列舉了部分的信息供大家參考。

3 關于異形柱框架結構在設計中的實例相關分析

3.1 工程概況

某多層異形柱框架結構，共6層。地震烈度為6度（設計基本地震加速度為0.05g），框架抗震等級為四級。填充外墻為200厚MU5.0輕骨料混凝土空心砌塊（容重<13KN/m），填充內墻為200厚MU5.0蒸壓加氣混凝土砌塊（容重<8kN/m）。

3.2 設計心得

在設計該結構時，最初將混凝土強度等級定為C25，但是計算得到的異形柱軸壓比超過規范規定限制，同時部分框架柱核心區節點域抗剪超過規范值。故修改柱混凝土標號為C30，重新計算，滿足規范要求。計算中，框架柱會有節點域計算不通過，這時候我們就需要通過各種措施，比如增加混凝土標號，增大柱截面面積等施工措施來保證節點域抗剪滿足要求。

異形柱截面形式的不同，其節點受剪承載力也差別較大。十形截面柱的翼緣布置在節點截面中間受力最大的部位，翼緣的作用得以充分發揮，節點受剪承載力與同截面面積的矩形柱相差不大，T形截面次之，L形相差最大，受剪承載力下降最大。有關研究表明：L形、T形、十形柱節點的受剪承載力比具有相同有效截面的矩形柱節點分別低33%、17.5%、8%左右，且用于矩形柱框架節點抗剪驗算的公式已不適用于異形柱節點。

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。通過該結構的設計，結構構造在整個設計過程中起著非常重要的作用。尤其對于異形柱結構而言，實際上是梁柱節點域的設計。

4 小 結

總之，異形柱框架結構有著較大的市場需求，在設計中根據其受力特點，充分了解其破壞機理，選用合理的柱網布置形式，正確掌握計算機分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結構具有可靠的安全保證。

參考文獻

[1]于躍海.多層鋼筋混凝土框架結構改造與異形柱應用[J].工程建設與設計，2011年07期.

[2]朱杰江，袁濤，王堅.異形柱框架結構優化[J].河南工程學院學報（自然科學版），2012年02期.

作者簡介：汪楊（1982-），女，漢族，安徽合肥人，工程師，主要從事結構設計工作。