混凝土異形柱框架結構設計淺析

1 混凝土異形柱框架結構的定義及受力特點

異形柱是指柱截面的幾何形狀與常用普通的矩形截面相異的柱，進而在滿足結構剛度和承載力等要求的前提下，根據建筑設計要求而采取不同幾何形狀截面的柱，如：T、L、十字形等形狀截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。混凝土異形柱框架結構：是以異形柱代替一般框架柱，和梁剛性連接組成的承受豎向和水平作用的結構。

異型柱結構與普通框架結構相比，有如下受力方面的特點：

根據建筑上的需要，異型柱在房間的分隔墻交點處靈活布置，平面剛度疏散均勻，經常會有梁縱、橫不貫通，結構較難簡化為平面結構計算；立面剛度分布較均勻，異型柱與輕質砌體填充墻在彈性階段共同工作性能良好；柱采用T形、L形、十字形等截面形式，肢寬厚比在2.5~4.5之間，柱肢薄而狹長，雙向壓彎效應明顯；異形截面僅有一根對稱軸或沒有對稱軸，對荷載的方向角敏感，抗扭剛度較差，相應地也造成異型柱結構的荷載方向敏感性，且稍有不對稱或偏心，抗扭能力降低較大；異形截面的柱肢角部是明顯的薄弱部位，尤其是梁底與柱肢交界斷面的柱肢角部，應力集中嚴重；異型柱結構的梁高寬比大，柱肢狹長，使梁柱重疊部分多，在梁端一定范圍形成剛域；同時節點區較大而薄，在彈塑性階段，應計入節點區變形對結構變形的影響；

2 混凝土異形柱框架結構設計與受力分析

2.1 混凝土異形柱框架的結構布置

合理的結構布置（包括平面布置及豎向布置）無論在非抗震設計及抗震設計中都有非常重要的意義，結構的平面和豎向布置宜簡單、規則、均勻，這就需要結構工程師與建筑師密切協調配合，兼顧建筑功能與結構功能的合理性。關于結構布置中對規則性的要求，《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ 149--2006）提出：異形柱結構宜采用規則的結構設計方案，抗震設計的異形柱結構應符合抗震概念設計的要求，不應采用特別不規則的結構設計方案。比現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011對一般鋼筋混凝土結構的有關規定更為嚴格，這是根據異形柱結構抗震性能和抗震設計特點而提出的。

異形柱結構并不要求全部柱截面均為非矩形截面。在工程設計中，應根據結構的平面布置和受力特點，結合具體的建筑平面布置L形、T形、和十字形等異形柱，以充分發揮異形柱在建筑使用上和結構受力上的優點，從而得到良好的技術經濟指標。結構布置在平面和沿結構高度上剛度和質量要均勻布置，以減小結構在地震過程中的扭轉影響和防止出現薄弱層。另外，L形、T形和Z形截面異形柱的截面配筋具有非常明顯的不對稱性，試驗表明就單個異形柱構件而言，其延性有較大缺陷。但是，試驗和理論分析表明由對稱布置的異形柱所組成的框架，由于相互對稱的異形柱的優缺點能相互補充，具有較好結構延性，所以結構的平面布置上組成框架的異形柱應盡可能對稱。異形柱的肢厚較薄，其中心線宜與梁中心線對齊，盡量避免由于二者中心線偏移對受力帶來的不利影響，平面節點處（軸線交叉點處）應盡可能設柱，避免主次梁搭接：在多層住宅中，異形柱宜布置在房間中影響使用的墻角處，其他部位從受力合理和施工方便考慮宜布置成矩形柱。

2.2 混凝土異形柱框架的結構計算

無論是非抗震設計還是抗震設計，在豎向荷載、風荷載、多遇地震作用下混凝土異形柱結構的內力和變形分析，按我國現行規范體系，均采用彈性方法計算，但在截面設計時則考慮材料的彈塑性性質。在豎向荷載作用下框架梁及連梁等構件可以考慮梁端部塑性變形引起的內力重分布。異形柱的柱肢截面的肢高肢厚比限制在不大于4的范圍，與矩形柱相比，其柱肢一般相對較薄，研究表明：這樣尺度比例的異形柱，其內力和變形性能具有一般桿件的特征，并不滿足劃分為薄壁桿件的基本條件。故在計算分析中，異形柱應按桿系模型分析。按空間模型進行結構分析時，柱與梁均考慮彎曲、剪切、及扭轉變形，二者的差異是，柱還應考慮軸向變形：而梁一般不考慮軸向變形，僅當有必要考慮樓板平面內變形時才考慮軸向變形。

框架結構中的非承重填充墻屬于非結構構件，但框架結構中非承重填充墻體的存在，會增大結構整體剛度，減小結構自振周期，從而產生增大結構地震作用的影響。為反映這種影響，可采用折減系數￠ 給對結構的計算自振周期進行折減（具體數值采用詳見《混凝土異形柱結構技術規程》JGJ 149—2006）。

3 混凝土異形柱框架結構構造措施

3.1 異形框架柱

框架柱非加密區箍筋的數量應滿足受剪承載力計算值的需要，且箍筋數量不宜小于加密區的50％；箍筋間距應不大于200mm。框架柱凈高與柱截面長邊尺寸之比不大于4時，應沿柱全高加密箍筋，箍筋間距不應大于100mm，且箍筋的體積配箍率不宜小于1.0％。 為保證粘結強度和混凝土澆筑質量，當肢厚為200mm時，縱向鋼筋每排不應多于2根，當僅配一排鋼筋配筋量不足時，應多排配置，并且每排鋼筋之間的凈距不應小于50mm。同樣的原因，柱縱向鋼筋的連接宜采用對焊。由于異形柱的肢厚較薄，因而如何方便施工、保證施工質量應成為設計中考慮的一項重要內容。

3.2 梁柱節點

異形柱結構的梁柱節點構造基本與普通柱框架結構相同。但由于柱的肢厚和梁的寬度均較小，因此鋼筋的構造還是有一些特殊之處。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25mm，且不應小于14mm；內折角處應設置縱向受力鋼筋。當柱中縱向鋼筋間距超過250mm時，其間應設構造鋼筋，直徑可用12mm，并設拉筋，拉筋間距為箍筋間距的2倍；異形柱肢厚小于200mm時，縱向受力鋼筋每排不應多于2根；肢厚200mm-250mm時，每排鋼筋不應多于3根，必要時可分兩排設置。 工程中為避免梁柱的縱向鋼筋相碰，采取如下的構造方法：梁的縱向鋼筋在柱的縱筋的內側繞過，為了避免梁縱筋受拉時產生很大的向外的張力，應使其彎折的角度盡量地小，一般不大于1/25，并在柱截面外側梁中設2Φ8附加箍筋，用以抵消縱筋的張力。梁、柱的縱筋每排不宜多于2根，否則將使節點區鋼筋過密，難以保證混凝土的澆筑質量。

4 結語

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。