住宅建筑異形柱框架結構設計探討

鄧曉明

（茂名市世源建筑設計有限公司，廣東 茂名 525000）

隨著經濟的快速發(fā)展，異形柱框架結構作為一種全新的結構形式廣泛用于住宅建筑中，相對于傳統的框架結構，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。該結構形式一般指同層內異形柱數量超過柱總數量10%的框架或框架剪力墻結構，適用抗震設防烈度為6 °或7 °的地區(qū)。為此，文章對異形柱框架結構設計進行探討，以推廣該技術的使用。

1 異形柱的受力性能

1.1 承載能力

異形柱不同于矩形柱，它由多肢組成，柱肢截面高度與柱肢寬度的比值一般在2.5～4，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。

1.2 變形特征

一般住宅的層高在2.8～3.1 m，異形柱肢厚在200 mm左右，異形柱為了獲得足夠的承載力，肢長一般不會太小，這就容易造成柱剪跨比過小，形成短柱（柱凈高H/柱，肢長h＜4），以剪切變形為主，構件變形能力下降。即使存在軸壓比較小的柱H/h＞4，由于異形柱屬薄壁構件，也會因截面曲率M/EI或ecu/X（ecu為混凝土的極限壓應變，X為截面受壓區(qū)高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。

2 異形柱的計算分析

2.1 計算方法

在低烈度區(qū)，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(guī)范計算。而在高烈度區(qū)，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，如中國建筑科學研究院的TAT，SATWE程序及天津大學的鋼筋混凝土異形柱結構配筋計算程序CRSC等。

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，這就勢必造成計算誤差，而且發(fā)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；而按短肢剪力墻輸人的，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 軸壓比的控制

在目前設計過的工程中，由于本地建筑主管部門的嚴格控制，異形柱結構的適用高度一般不高，異形柱的軸壓比不會太大，一般可控制在比普通柱結構規(guī)范規(guī)定的限值小0.3的水平。另外，不同的柱截面形式，如L形、T形、十字形，在相同水平側移下，其延性性能也有較大差異，對雙向對稱的十字形，軸壓比限值可適當放寬，而雙向均不對稱的L形就應嚴格控制，T形次之，這與結構布置中的角柱軸力小，布置L形，邊柱，布置T形，中柱軸力大，布置十字形基本吻合。

4 異形柱框架結構設計構造

4.1 材料要求

（1）混凝土的強度等級不應低于C25，且不應高于C50。

（2） 縱向受力鋼筋宜選用高強的HRB400、HRB335級鋼筋。

4.2 截面要求

（1）異形柱截面各肢肢高、肢厚比不應大于4，肢厚不應小于200 mm。

（2）異形柱不應采用一字形和Z字形。

（3）盡可能地避免短柱和極短柱，異形柱的剪跨比宜大于2，不應小于115，減小地震作用下發(fā)生脆性粘結破壞的危險性。

4.3 框架柱

（1）柱縱筋與箍筋設置形式有“L”、“T”、“十”及雙排布置等形式。在同一截面內，縱向受力鋼筋宜采用相同直徑，其直徑不應大于25 mm，且不小于14 mm，縱筋間距大于250 mm時，應設置縱向構造筋，其直徑可采用12 mm，并設拉筋，拉筋間距為箍筋間距的兩倍。

（2）柱截面厚度小于200 mm時，縱向受力鋼筋每排不應多于2根；肢厚在200～250 mm時，每排鋼筋不應多于3根，必要時可分兩排設置，兩排鋼筋之間的凈距離不應小于50 mm。

（3）框架柱中全部縱向受力鋼筋的配筋率：抗震等級為Ⅱ級時，中柱、邊柱不應小于 0.7%，角柱不應小于 0.9%；抗震等級為Ⅲ級時，中柱、邊柱不應小于0.6%，角柱不應小于0.8%。框架柱中全部縱向鋼筋的配筋率，抗震設計時，對Ⅱ級、Ⅲ級鋼筋不宜大于3%。

（4）框架柱應采用復合箍，嚴禁采用具有內折角的箍筋，箍筋必須做成封閉式。箍筋末端做成不小于135 °的彎鉤，彎鉤端頭直段長度不應小于10 d（d為箍筋直徑）。

（5）箍筋加密區(qū)長度取柱截面的長邊尺寸、層間柱凈高的1/6和500 mm者中的最大值。在加密區(qū)內，箍筋的直徑不變，間距為100 mm。

4.4 框架節(jié)點

（1）框架梁的截面寬度與異形柱的肢寬相等或梁截面寬度每側凸出柱邊小于50 mm時，在梁四角上的縱向受力鋼筋應在離柱邊大于800 mm處，且滿足小于1/25坡度的條件下，向柱筋內側彎折伸入框架節(jié)點內。

（2）當框架梁截面寬度的任一側凸出柱邊不小于 50 mm時，則該側梁角上的縱向受力鋼筋可在本肢柱筋外側伸入梁柱節(jié)點內。

4.5 框架頂層柱縱向鋼筋的錨固和搭接

由于異形柱柱肢寬度與梁相當，所以存在著梁筋與柱筋交接處較密集的問題。《規(guī)程》根據國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》第11.6.7條規(guī)定并考慮異形柱的特點，頂層端節(jié)點柱外縱向鋼筋沿節(jié)點外邊和梁上邊與梁上部縱向鋼筋的搭接長度增大到1.6 Lae（1.6 la），但伸入梁內的柱外側縱向鋼筋截面面積調整為不宜少于柱外側全部縱向鋼筋截面面積的50%。在目前沒有異形柱結構標準圖集的情況下，設計人員應在結構設計總說明中予以注明，以免發(fā)生施工錯誤。

4.6 柱與填充墻的連接

（1）異形柱框架結構的填充墻應采用輕質墻體材料，并必須與框架可靠地連接。當采用砌體填充墻時，在框架與填充墻的交接處，沿高度每隔500 mm或砌體皮數的適當倍數，用2號6鋼筋與柱拉結。鋼筋由柱的每邊伸出，進入墻內的長度：Ⅱ級抗震時沿填充墻全長設置；Ⅲ級時不小于填充墻長的 1/5及700 mm。填充墻的砌筑砂漿強度等級不應低于M2.5。

（2）填充墻長度大于5 m時，墻頂部與梁宜有拉結措施；填充墻高度超過4 m時，宜在墻高中部設置與柱連接的通長鋼筋混凝土水平墻梁。

5 節(jié)點核心區(qū)受剪承載力

由異形柱的截面特性，決定了梁柱節(jié)點核心區(qū)域面積較小，而梁柱縱筋交匯使得箍筋配置不可能太多。為了滿足抗剪承載力的要求，只能提高混凝土的標號，但隨之帶來的問題是構件變脆，同時與梁板混凝土強度的協調也成問題，有時為了個別柱的需要，而使全部柱的混凝土標號提高，也造成了投資上的浪費。為了解決這一問題，我們在已建成的工程中采用了在節(jié)點核心區(qū)的柱內加豎向鋼板的方法，鋼板伸過節(jié)點核心區(qū)上下一定的長度錨固，按鋼板與混凝土協同工作來計算分析，確定鋼板的截面尺寸。

6 結束語

總之，異形柱框架結構將會更加廣泛應用于住宅建筑中，結構設計人員應充分了解異型柱的受力性能，正確把握設計要點和計算分析，滿足規(guī)范要求的各種構造措施，才能夠確保工程結構安全可靠、經濟合理。