關于異形柱框架結構設計的思考

陳學強

摘 要：本文介紹了異形柱結構設計的計算方法，并對一些常見的問題進行了分析。

關鍵詞：異形柱；住宅；結構設計

1 前言

近年來，隨著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，普通的矩形框架柱會給室內裝飾和家具布置帶來極大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面積，這對住宅結構設計提出了一項新的要求。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。異型柱框架結體系具有以下主要優點：(1)柱肢厚通常采用l80mm-200mm，肢厚基本與填充墻等厚，框架梁寬也同墻厚，室內不凸出梁柱，便于使用又美觀，同時還增加了房間的使用面積，比相同形式的磚混結構可增加約8％～10％的使用面積；(2)圍護墻通常是非承重的輕質隔墻，原則上允許任意穿墻打洞，甚至拆除重砌，這使得房間布置更加靈活，能更好地實現建筑功能的要求；(3)雖然增加了施工難度，但因擴大了使用面積，加之自重較輕，減少了基礎費用，綜合考慮總體經濟效益較好。

2 異形柱結構設計的一般規定

2.1 結構布置

與一般鋼筋混凝土框架結構相比，異形柱框架結構在結構布置時應注意以下原則：(1)結構平面宜盡量對稱，使平面和剛度均勻，2個主軸方向應協調布置，避免扭轉帶來的不利影響；如果有明顯的不對稱，應考慮扭轉對結構受力的不利影響。(2)異形框架宜雙向設置，框架柱應對齊，框架梁應拉通，避免縱橫框架梁相互支撐，使結構形成空間受力并具有足夠的承載能力、剛度和穩定性，同時具有良好的整體性和較好的抗震性能。(3)豎向布置應力求體型規則、均勻，避免過大的外挑和內收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯層。

2.2 適用高度、高寬比及長細比限制

異形柱框架在7度抗震設防烈度區，要求房屋高度≤35 m，層數<12，建筑物的高寬比不宜大于5；8度區房屋高度不大于25m，建筑物的高寬比不宜大于4。另外，柱凈高與截面長邊之比，即長細比宜大于4小于8。長細比小于4(即短柱)，容易發生脆性剪切破壞；長細比大于8，易引起失穩破壞。

2.3 抗震等級

異形柱框架結構應根據結構類型、房屋高度及抗震設防烈度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造措施要求。

3 異形柱的結構計算方法

3.1 直接計算法

根據國內外的部分試驗結果，進行統計分析，擬合成經驗公式。即按T型截面分別計算出縱向力作用x軸及y軸，考慮相應的初始偏心距增大系數后，按僅考慮曲肘邊縱向受力鋼筋計算的偏心受壓構件所能承載的縱向力Nx和Ny，然后以初始偏心距與截面邊長的比值為參數進行修正。

3.2 等代矩形柱計算法

將異形柱截面折算成慣性矩相等的矩形截面且將等代矩形柱的形心置于異形柱兩肢桿軸線的交點上。

將其輸入空間分析程序(如TBSA)進行位移和內力計算，可簡化工作量。

以上電算輸出的是作用在等代矩形桿形心處的組合內力，需將其回歸到各個單肢截面的形心處。這樣每個單肢就可按其各自的組合內力進行正、斜截面的配筋計算。

這種用面積等效換算作抗壓抗剪分析的方法在工程中應用較多，但用這種方法計算時應明確的是：按矩形柱計算時得出的內力要轉換到異形柱上斷面形心的位置．然后按異形柱計算配筋；按矩形柱得出的軸壓比應乘以矩形柱斷面面積與異形柱斷面面積之比值才是異形柱的軸壓比。

3.3 先配筋再復核法

對于有經驗的設計人員，在參考一些相關算例的前提下，可以先對異形柱配筋再復核截面就顯得更為簡便，截面復核時可分x軸和y軸均按T型截面分別復核。

不論是哪種計算方法，都可以依據<>的內容來進行計算。

4 異形柱框架結構的計算要點

普通框架柱一般采用方形或矩形，為了使2個主軸方向的受力性能相差不大，一般要求h／n≤1．5，剪力墻肢一般要求 >4，而異形柱作為一種新型的承受豎向力構件， 2～4介于框架柱與剪力墻之間，從而使其受力特點亦介于普通框架柱與剪力墻之間。異形柱內力計算時，既不能完全按普通框架柱，亦不能照搬剪力墻肢進行。

目前，大多數設計人員采用由中國建筑科學研究院高層建筑技術開發部《多層及高層建筑結構空間分析程序TBSA》進行內力計算。由于程序是以矩形截面柱為研究對象的，而對異形柱的結構幾何數據輸入無明確規定，輸入時把異形柱用具有相同抗彎剛度的矩形柱等替換，然而由于框架柱屬于壓剪構件，除了要求有相當的剛度外還應有較好的抗剪能力，為保證柱子具有一定的延性，設計時通過對剪跨比、軸壓比、主筋配筋率、配箍率進行限定，使異形柱有較好的抗震性能。

4.1 剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受彎矩與剪力相對大小的一個參數 ，是影響框架柱破壞形態的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱凈高與柱截面肢長之比。由于異形柱的抗剪性能差，選擇異形柱截面時，為避免出現短柱，控制>4，亦即>2。

4.2 軸壓此的限定

軸壓比是指柱組合的軸壓力設計值與柱全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積之比。即 。它是影響柱破壞形態和變形能力的另一個重要因素。有關研究結果表明：軸壓比對異形柱的影響遠遠超過對普通矩形柱的影響，為保證異形柱的延性，必須嚴格控制軸壓比，柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現小偏壓破壞，并應滿足抗震要求，同時避免長細比小于4的短柱。由于異形柱的截面積比具有相同抗彎剛度的矩形柱小，因此用矩形柱替換后計算出的軸壓比數值不能直接應用于異形柱。而異形柱的軸壓比的限值在規范中又無詳細規定，考慮到異形框架柱的抗扭、抗震性能較差，一般認為，設計中應按《混凝土結構設計規范》規定的軸壓比限值減少0．05選用。

4.3 主筋配筋率及配箍率的調整

軸壓比控制值的調整，使計算得出的矩形柱配筋值一般均較小，用于異形柱截面配筋時比值應予以放大。考慮到異形柱自身的受力特點，把柱縱向鋼筋的最小總配筋率限值提高0．1%。另外由于異形柱較普通柱易于開裂的特點，設計時以普通框架柱的構造體積配箍率0．8%～1．2%為依據，異形柱的配箍率取其上限，并且配箍形式選用矩形復合箍筋。

4.4 抗震調整系數的選取

考慮地震作用組合的異形柱，其截面承載力應除以承載力抗震調整系數。對于正截面承載能力，取 0．8；對于斜截面承載力取 0．85。

5 異形柱結構提高延性、防止粘結破壞的措施

試驗研究結果表明：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，延性比普通矩形柱差。軸壓比、高寬比(即柱凈高與截面長邊尺寸之比)、箍筋間距與縱筋直徑比s/d、箍筋直徑d、荷載角。是影響異形柱破壞形態及延性的重要因素。作為異形柱延性的保證措施，必須嚴格控制軸壓比，同時，高寬比不宜小于4(短柱)、不應小于3。《規程》根據s/d，d，和抗震等級確定，例如，對s／d=5(如s=100mm，d=20mm)，箍筋直徑d＝8mm，抗震等級為三級的L形截面，其軸壓比限值為0.55，而普通矩形柱框架可達0.9。可見，異形柱軸壓比比矩形柱嚴格得多。

由于異形柱的肢厚都很小，往往同框架梁的寬度——樣寬，所以，它對梁縱筋的錨固能力比普通矩形柱差。因此，異形柱結構框架梁貫通中柱的縱向鋼筋直徑要求不應大于該縱筋方向柱肢高的1/30，而普通矩形柱框架的要求僅為1/20。從避免出現短柱的角度來說，異形柱的肢高短一些為好。但是，從框架節點對受力縱筋的錨固粘結來說，又要求肢高稍長-點為好。所以，兼顧兩個方面的原因，實際采用的柱肢高-般在500～700mm之間，既可以解決梁縱筋直徑可在16～22mm(柱肢高的1/30)之間選用的構造要求，又可解決避免出現短柱的要求。

結束語：

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。