住宅建筑異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計意義與現(xiàn)狀

朱行行

【摘要】本文筆者結(jié)合自身多年工作實踐，在介紹異形柱結(jié)構(gòu)概念及其優(yōu)點的基礎(chǔ)上，就異形柱結(jié)構(gòu)的受力特性、軸壓比以及設(shè)計計算方法進(jìn)行了討論，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計同仁參考。

【關(guān)鍵詞】異形柱結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題討論

前言

造型新穎、大空間、多功能以及空間布局上的高靈活性等特殊需求在現(xiàn)代民用建筑中已經(jīng)表現(xiàn)得十分突出。在這些建筑中，異形柱結(jié)構(gòu)得到了廣泛地運用。與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，異形柱結(jié)構(gòu)無論在受力特性，還是在設(shè)計計算方法上都有著其特殊性。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須深刻認(rèn)識、準(zhǔn)確把握異形柱結(jié)構(gòu)的概念、受力特性以及設(shè)計計算方法，從而保證設(shè)計出的結(jié)構(gòu)能夠同時滿足安全性、經(jīng)濟性和實用性的要求。

一、異形柱概念及其優(yōu)點

1.1 異形柱的概念及常見形式

異形柱（Specially Shaped Column）是指截面形式與常規(guī)矩形截面存在差異的柱。異形柱的使用主要是為了滿足結(jié)構(gòu)物使用功能或是空間布置上的要求，異形柱的使用必須以滿足結(jié)構(gòu)剛度和承載能力等要求為基本前提。常見的異形柱有T 形、L 形以及十字形等截面形式，并且這些異形截面各肢高與厚的比值還應(yīng)不超過4。根據(jù)異形柱各肢的長度是否相等，又可將異形柱分為等肢與不等肢兩種，抗震設(shè)計時宜采用前者。

1.2 異形柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

在傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)柱中，矩形截面有著絕對的份量，但是考慮到柱截面尺寸與墻體厚度的差異，在建筑物內(nèi)部往往都可以碰到大量的裸

露柱角，這些裸露柱角在很大程度上影響了住宅內(nèi)部的空間布置。住

戶都希望框架、框剪結(jié)構(gòu)等能夠與磚混結(jié)構(gòu)一樣，讓房屋內(nèi)部墻面、四角平整無凹凸面。而異形柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就在于此，它能夠與墻體很好地銜接，在滿足承載能力要求的同時實現(xiàn)美觀與功能上的要求。

二、異形柱受力特性及其軸壓比控制

2.1 異形柱受力特性

大量的試驗研究表明：與普通矩形截面柱相比，異形柱截面形心與剪心之間存在位置偏差，在外荷載作用下其各肢截面有翹曲正應(yīng)力與剪應(yīng)力產(chǎn)生，剪應(yīng)力直接導(dǎo)致各肢混凝土開裂形成腹剪裂縫，相應(yīng)地降低了柱的延性。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，異形柱軸壓比、箍筋直徑與間距以及高長比（柱凈高/截面肢長）等因素與其延性有著密切的關(guān)系。其中，箍筋直徑大小以及箍筋間距分別與雙向壓彎異形柱截面曲率延性成正比和反比，并且后者的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，即增加配箍量對于提高異形柱截面延性有著顯著作用。軸壓比大小是決定異形截面雙向壓彎柱破壞特征的重要指標(biāo)。而軸壓比參數(shù)則與異形柱截面曲率延性呈現(xiàn)相反的規(guī)律，軸壓比增長到一定限制，柱截面就會發(fā)生界限受壓破壞，截面由延性較好的受拉破壞發(fā)展為延性最差的界限受壓破壞。

2.2 異形柱軸壓比控制

從構(gòu)件形式上講，異形柱實質(zhì)上是短肢剪力墻與普通矩形截面柱之間的一種過渡性構(gòu)件。相對于普通矩形柱，在荷載作用下，異形柱更容易呈現(xiàn)出一系列的脆性破壞特征。異形柱軸壓比對其自身破壞形態(tài)以及變形能力有著重要的影響， 因此有必要對該值的大小進(jìn)行控制，避免柱截面尺寸過小，提高柱子本身的延性、增強其變形能力，保證不出現(xiàn)小偏壓破壞。

現(xiàn)行《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）中規(guī)定：對于抗震等級二級的異形柱框架結(jié)構(gòu)，L 形截面柱軸壓比不得超過0.5，T形截面柱軸壓比不得超0.55，十字形截面柱軸壓比不得超過0.60。而在抗震等級二級的異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中， 剪力墻是抗震的第一道防線，框架是第二道，因此相應(yīng)截面形式異形柱的軸壓比限制均相對放寬0.5，即為：0.55、0.60、0.65?？拐鸬燃墳槿?、四級的異形柱框架結(jié)構(gòu)及異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)也有類似的規(guī)律。

三、異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及構(gòu)造措施

3.1 異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法

由于異形柱結(jié)構(gòu)有著其自身的特點，這也使得結(jié)構(gòu)受力性能與普通結(jié)構(gòu)存在差異。在抗震設(shè)防地區(qū)，以地震、風(fēng)荷載等為代表的水平荷載、水平作用影響下，異形柱因為其截面的不對稱性而呈現(xiàn)雙向偏心受壓狀態(tài)，這種狀態(tài)直接降低了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)將異形柱結(jié)構(gòu)視為空間體系，盡量選用自帶異形柱單元的設(shè)計軟件、設(shè)計程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計算分析。在現(xiàn)實工作中，許多結(jié)構(gòu)設(shè)計人員常將異形柱建模與剪力墻建?；鞛橐徽?，這兩者的受力狀態(tài)是存在本質(zhì)性差異的，在設(shè)計計算時這種等同做法是不合理也不安全的，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計人員的高度重視。

如果沒有自帶異形柱單元的設(shè)計軟件、設(shè)計程序可供使用，那么可以將異形柱結(jié)構(gòu)等效為薄壁桿件模型進(jìn)行處理。就異形柱框架結(jié)構(gòu)而言，可以對其結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度采取等效折算處理，經(jīng)等效折算處理后得到的普通框架結(jié)構(gòu)可以代替原異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移計算分析。但是需要注意的是，利用等效普通矩形柱框架結(jié)構(gòu)計算出矩形柱的軸壓比不能直接代表異形柱的軸壓比，這主要是由于剛度相等的矩形、異形截面柱，其截面面積前者明顯大于后者，二者比值通常在1.1-1.3 之間。

3.2 異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)造措施

對于使用異形柱框架結(jié)構(gòu)的住宅建筑， 在設(shè)計中宜使用中長柱，避免因設(shè)置短柱而出現(xiàn)脆性壓剪破壞。對此，可從構(gòu)造上采取相應(yīng)的加強措施。一方面，應(yīng)以異形柱高長比限制規(guī)定為依據(jù)，嚴(yán)格控制異形柱的最大肢長；另一方面，還應(yīng)重視對柱內(nèi)部縱向鋼筋、箍筋的控制，縱向鋼筋的直徑、間距、內(nèi)折角處縱向受力鋼筋的設(shè)置以及箍筋最大間距都是控制的重點項目。

此外，考慮到異形柱截面寬度相對較小，有必要對梁柱節(jié)點區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造加強，使結(jié)構(gòu)具備良好的延性，保證其變形能力，滿足抗震的構(gòu)造要求。設(shè)計過程中為控制鋼筋骨架的垂直度，可以有選擇性地確定柱各肢端部縱筋的直徑。此外，對于異形柱與矩形柱交接區(qū)域，應(yīng)對插入核心區(qū)的異形柱縱筋長度進(jìn)行限制，與此同時加密異形柱中箍筋的配置以保證節(jié)點區(qū)域延性的基本要求。

四、 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(biāo)號，但隨之帶來的問題是構(gòu)件變脆，同時與梁板混凝土強度的協(xié)調(diào)也成問題，有時為了個別柱的需要，而使全部柱的混凝土標(biāo)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(nèi)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(xié)同工作來計算分析，確定鋼板的截面尺寸。

五、 應(yīng)用情況

目前從我國建設(shè)情況來看，正在逐步推廣混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系.在工程設(shè)計程中，盡量采用異形柱框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。對樓面開大洞口、轉(zhuǎn)角窗及樓梯間等抗震薄弱位置著重處理，采用剪力墻加強。在此過程中積累了一定的經(jīng)驗?；炷廉愋沃Y(jié)構(gòu)體系從以前主要用于低層別墅建筑、多層住宅建筑逐漸擴展到用于小高層的住宅建筑、平面及豎向較為規(guī)則的宿舍建筑，工程實踐表明效果良好，住戶認(rèn)知度及滿意度較高，為節(jié)能減排及新墻材推廣作出了突出的貢獻(xiàn)，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

結(jié)語

綜上所述， 異形柱框架結(jié)構(gòu)在住宅建筑中有著非常廣闊的應(yīng)用前景，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)順應(yīng)市場的需求，從該結(jié)構(gòu)自身的受力特性、受力原理出發(fā)，正確理解把握結(jié)構(gòu)的破壞機理，合理使用計算機軟件建模計算并能夠?qū)τ嬎憬Y(jié)果進(jìn)行客觀科學(xué)地分析處理， 同時采取必要的構(gòu)造措施，其設(shè)計的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到安全、美觀、實用的基本要求。

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