異形柱結構受力分析與設計探討

【摘 要】 本文詳細闡述了異形柱框架及異形柱框架一剪力墻結構在使用上顯著的優點，及對這兩種結構形式的受力特點、分析計算、構造措施等方面進行了探討，提出建議，供結構設計人員參考。

【關鍵詞】 異形柱；框架；受力特點；結構設計

0.序言

近年來，異形柱框架或異形柱框架一剪力墻結構作為一種全新的結構形式廣泛使用于住宅建筑中，相對于傳統的剪力墻或框架結構，異型柱結構具有可改造性好，用料省、造價低，居住環境比一般混凝土結構體系好，空間可得到充分利用，使用靈活方便的優點。由于異形柱結構具有上述許多顯著的優點，該類結構形式的建筑在中小城市的房地產開發市場上將會有很廣闊的前景，得到日漸廣泛的應用。

1.異形柱結構的概念及優點

1.1.異形柱結構的概念

截面幾何形狀為 “L”型、“T”型、“十”字型，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱，上述柱子相對于傳統的正方形與矩形柱而言是異形的，稱之為異形柱。而采用這種柱子的框架及框架一剪力墻結構稱之為異形柱結構。

1.2. 異形柱結構的顯著優點

（1）房間使用質量高。室內空間整齊，家具擺設容易。尤其在層數較多的情況下，如采用矩形柱，柱子外露更多，使用受到相當大的限制，特別是小面積住宅更顯影響，用戶深感不便。

（2）提高有效面積比。異形柱的肢寬與墻厚相等或稍寬，因而沒有矩形柱框架結構中柱子在房間里外露占去使用面積的缺點。與一般框架結構相比，此種結構可增加使用面積5%～10%左右。

2.受力特點

2.1.異形柱破壞機理

異形柱采用多個小墻肢的組合截面柱子，柱肢截面中各肢高厚比不大于4，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型形狀。柱肢寬度一般使用與墻體相同的厚度，一般為200～250mm，不大于300mm。肢長較大，《規程》規定不小于500mm，一般為600～800。另外，不等肢異形柱肢高比一般不超過2.2，各肢截面厚度不能相差過大。

由于柱截面本身的特殊性，異形柱結構的受力特點既不同于剪力墻結構，與普通框架也相差很大，具有獨特性，荷載作用的結構反應更加復雜。國內外大量的試驗資料和理論分析證明，異形柱的破壞形態有：彎曲破壞、小偏壓破壞、剪壓破壞等，影響破壞形態的主意因素有：荷載角、軸壓比、剪跨比、配箍率等。

2.2.內力計算

單結構形式來講，異形柱結構的剛度介于普通框架和框架剪力墻之間。對8度區－6層住宅采用矩形柱和異形柱框架分別進行設計。

可以分別采用CRSC和SATWE程序對比分析，表明在地震作用下矩形柱框架結構的底部剪力要比異形柱結構小16％～26％左右，各層柱的平均剪力和節點剪力也比矩形柱框架增強多。異形柱結構的受力特點介于普通框架柱和剪力墻之間，結構的抗震性能比較差，但內力分析計算時，既不能完全按普通框架柱，也不能完全照搬短肢剪力墻。

相對精確的設計方法是：假設梁柱節點與普通框架梁柱節點相同，等主軸剛度和等截面面積條件把異形柱截面轉化成等效矩形柱截面，利用空間有限元分析程序進行內力分析，求出柱的內力重新按照有關異形柱截面的配筋計算公式進行截面配筋驗算。由于異形柱肢長比較大，梁相交時梁柱重疊部分較大，形成相似與壁式框架的梁柱剛域，梁的計算長度大大減小，實際結構的側向剛度比計算模型大，導致地震力計算偏于不安全，對柱內力在程序計算結果的基礎上乘以約1.1的放大系數或者加大周期折減度以適當考慮其影響。但對于普通設計人員來講過于費時費力，不利于提高效率。

3.設計要點

3.1.結構方案

異形柱框架設計應成雙向剛接梁柱抗側力體系，可根據結構平面布置和受力特點，設計部分異形柱與部分矩形柱或剪力墻的形式，如下圖（圖1）：

圖1 標準層平面圖

特別注意在受力復雜部分采用矩形柱。平面布置適用使結構平面剛度均勻對稱，減小扭轉效應或盡量控制剛度均勻對稱：注意豎向布置體型力求簡單規則，過大的外挑內收盡量避免，避免樓層剛度沿豎向突變；不易過大柱網尺寸，最好不超過6m，柱矩大梁高也大，一方面柱承受的軸力也大，軸壓比高，于抗震不利。另一方面建筑凈空難以滿足要求，為保證梁板對異形柱節點的約束，宜采用現澆樓。

3.2.截面設計

異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。框架梁截面高度可按（1/10～1/15）Lb確定（Lb為計算跨度），且非抗震設計時不宜小于350mm，抗震設計時不宜小于400mm。梁的凈跨與截面高度的比值不宜小于4。梁的截面寬度不宜小于截面高度的1/4和200。

3.3.軸壓比控制

不管對矩形柱還是異形柱，軸壓比無疑是最重要的控制條件之一，柱的控制其延性的因素很多，對異形柱更應從嚴控制。可以通過控制柱距、采用輕質墻體、布置改善和優化結構平面。柱肢端承受梁傳來的集中荷載，如局部壓應力大，可設置暗柱。除此之外，作為異形柱延性必須嚴格控制軸壓比，同時避免高長比小于４（短柱）。控制柱截面軸壓比的目的，要求柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求。對剪跨比小的短柱要采取相應的加強措施，以免形成薄弱環節。

3.4.節點設計

異形柱框架的肢厚不大，節點核心區有效水平截面積小。異形柱由于軸壓比的要求，通常肢長較大，一般而言同截面面積的矩形柱來講，剛度大，地震作用大，節點剪力比相同布置下（柱面積相等）的矩形柱結構大很多。所以異形柱框架節點都需要驗算節點抗剪強度。又因為，異形柱肢厚度偏薄，節點斜壓機制導致核心區斜壓力相對較大，鋼筋握裹性能差，難以滿足施工質量的可靠性。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。

4.結束語

本文通過幾個異形柱結構的工程設計實踐基礎上，論述了這種結構形式的受力特點，并分析了其結構計算、構造的相關問題，對比了短肢剪力墻結構形式。異形柱結構受力機理具有自己的獨特性及復雜性，只有在設計中遵循概念設計要求，進一步研究以完善設計理論，提高工程設計水平，才能確保結構安全可靠、經濟適用。

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