異形柱框架結構的特點與設計

楊超 張云

1 異形柱及異形柱結構的定義

JGJ 149-2006混凝土異形柱結構技術規程對異形柱的定義為:截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比(柱肢截面高度與厚度的比值)不大于4的柱，肢厚不小于180 mm。

2 異形柱框架結構與矩形柱框架結構在設計及實際中的區別

2.1 異形柱框架結構與矩形柱框架結構在實際應用中的區別

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已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。

2.2 異形柱框架結構與矩形柱框架結構在設計時的差異

1)對于相同烈度和結構類型的兩種體系而言，異形柱結構適用的房屋最大高度有較大幅度的降低;2)對于相同結構類型的兩種體系而言，異形柱結構彈性層間位移角限值、彈塑性層間位移角限值更加嚴格一些;3)鋼筋混凝土房屋應根據烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級。對于相同烈度和結構類型的兩種體系而言，異形柱結構抗震等級的確定方法更加嚴格一些，其在房屋高度的取值上降低了數值;4)抗震設計時，扭轉不規則的異形柱結構，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的比值不應大于1.45;而矩形柱框架結構的該比值為1.50;5)抗震設計時，對于相同結構類型的兩種體系而言，異形柱的軸壓比限值均有不同幅度的降低，意味著其要求更加嚴格。

3 異形柱框架結構受力特點

異形柱結構受力特點主要有以下幾個方面:1)由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異;2)對于長柱(H/h＞4)可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對于短柱(H/h＜4)，剪切變形占有相當比例，構件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構件，即使發生延性的彎曲型破壞，也因截面曲率 M/EI或εcu/χ(εcu為混凝土的極限壓應變;χ為截面受壓區高度)較小，使彎曲變形性能有限，延性較差;3)異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心混凝土協調變形和內力，這種變形協調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現裂縫，也使得各肢的核心混凝土處于三向剪力狀態，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯;4)異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國內外大量的試驗資料和理論分析[2]，異形柱的破壞形態為:彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態的因素有:荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比(剪跨比)、配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。

4 異形柱框架結構的計算分析

根據規范要求，對于矩形柱結構，當無斜向抗側力構件時，結構設計的地震作用方向一般取工程縱橫軸方向，即0°和90°，以此來求得地震作用下的結構內力，正截面承載力兩個方向分別按單偏壓計算配筋，其承載力基本上可以包括地震作用沿其他方向的情況。但對于異形柱，由于截面慣性矩沿不同方向差別很大，地震作用下柱受力的最不利方向不一定是 0°或90°，即僅沿該兩個方向計算的正截面配筋并不能完全包括地震作用沿其他方向時的情況，尤其在高烈度地區體現得更顯著。《規程》強制規定，7度及7度以上時地震作用尚應對與主軸成45°方向進行補充驗算。

異形柱軸壓比控制和梁柱節點核心區受剪承載力計算是異形柱結構設計的兩大特色。由于異形柱與矩形柱在截面特性、內力、變形及抗震性能上均有較大差異，《規程》專門針對異形柱結構特點制定了相應的條文規定，且比其他規程要求嚴格。例如6度區應進行地震作用計算及結構抗震驗算，應進行梁柱節點核心區受剪承載力計算等。由于異形柱柱截面的特殊性，其抗震性能較弱，為滿足國家抗震設防要求，保證結構體系具有足夠的抗震延性，根據異形柱截面雙向偏壓柱的工作機理，分析影響各種截面形狀柱的截面曲率延性的主要因素，通過分析框架位移延性與梁、柱構件截面曲率延性之間的相互關系及大量的電算分析，得到了在不同抗震等級下異形柱軸壓比與匹配特征值的關系，據此給出了小于普通柱軸壓比的異形柱軸壓比限值。此軸壓比限值是結構體系抗震性能的重要保證，設計中尤其注意應使構件滿足此限值，特別是對一些平面不規則的結構更應嚴格控制。

梁柱節點是異形柱結構的薄弱部位。由于節點的作用是將本層和上層荷載通過核心區傳至下層柱中，其作用力為與節點相連的梁端和柱端彎矩、軸力、剪力、扭矩，受力非常復雜。矩形截面柱節點由于正交方向梁對節點核心區混凝土的約束作用，具有一定的受剪承載力，對非抗震和三、四級抗震等級節點，不用對節點核心區進行受剪承載力計算，僅需滿足抗震構造措施要求，只對一、二級抗震等級節點核心區進行受剪承截力計算，而異形柱框架節點卻不同。由于異形柱截面的特點，正交方向梁截面的寬度與柱接觸面積較小且偏置，對節點核心區混凝土難以達到約束。因此必須對異形柱框架節點核心區進行受剪承載力計算，無論是非地震區或地震區均應計算。首先限制節點核心區截面，避免截面太小混凝土承受過大的斜壓力，導致核心區混凝土首先被破壞，其次是控制節點核心區配箍面積，保證節點受剪承載力，改善節點的抗震性能。

5 設計實例

山東某市住宅樓長28.3 m，寬12.9 m，建筑面積1 015 m2左右，住宅4層，層高 3.0 m，最大建筑高度為15.4 m。該工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組，場地類別為三類。采用異形柱框架結構，異形柱框架抗震等級為三級。采用SATWE程序分析，各層間位移角見圖1，滿足規范對層間位移的規定;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。

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障。

[1] 楊有根.異形柱框架結構理論研究與計算機輔助設計[D].長沙:湖南大學，2002:46.

[2] 鄭為民.改進建筑室內環境的有效手段——“異形柱”框架[J].當代建設，2000(5):27-28.

[3] 黃雅捷.鋼筋混凝土異形柱框架結構抗震性能及性能設計方法研究[D].西安:西安建筑科技大學，2003:16-17.

[4] JGJ 149-2006，混凝土異形柱結構技術規程[S].

[5] 徐金榮，張洪靜，王普山，等.異形柱框架薄弱部位抗震設計方法探討[J].世界地震工程，2002(2):32-33.