異形柱框架結構設計淺析

劉志明

（大同市建筑設計研究院 山西大同 037009）

引言

隨著人們對住宅（特別是別墅）平面與空間布置的要求越來越高，普通框架結構有露梁露柱的缺點，它直接影響到室內家具的布置及空間的使用。異形柱框架結構體系博采了框架及剪力墻結構體系的優點，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。異形柱結構目前僅適用抗震設防烈度為Ⅵ～Ⅷ度的地區。

1 異形柱框架結構設計中的有關問題

1.1 異形柱及異形柱結構的定義

異形柱是指柱截面擯棄了慣用的矩形柱，而采用多個小墻肢的組合截面柱子，是由剪力墻演變而來。柱肢截面中各肢的肢高肢厚比不大于4，常用的有L形、T形和十字形，亦有采用Z形。《異規》第6.1.4條規定，異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。這是因為肢厚較小時，會造成梁柱節點核心區的鋼筋設置困難及鋼筋與混凝土的粘結錨固強度不足，故限制肢厚不應小于200mm，以保證結構的安全及施工的方便。而限制肢高一方面為了滿足伸入柱內的梁縱向鋼筋錨固長度，另一方面是考慮柱雙向正截面承載力要求和雙向受剪性能的要求。除此之外，不等肢異形柱肢高比一般不超過1.6，各肢截面厚度不能相差過大。

1.2 結構平面布置

異形柱框架應設計成雙向剛接梁柱抗側力體系，根據結構平面布置和受力特點，可設計成部分異形柱部分矩形柱的形式，特別注意在受力復雜部分采用矩形柱。平面布置宜使結構平面剛度均勻對稱，盡量控制或減小扭轉效應：豎向布置注意體型力求簡單規則，避免過大的外挑內收，避免樓層剛度沿豎向突變；柱網尺寸不易過大，一般不超過6m，柱距大梁高也大，一方面建筑凈空難以滿足要求，另一方面柱承受的軸力也大，軸壓比高，于抗震不利。為保證粱板對異形柱節點的約束，宜采用現澆樓蓋。

1.3 設計方法

在異形柱結構設計中，規范要求優先采用能準確反映異形柱結構各構件實際受力狀況、基于空間工作的計算程序進行內力與位移分析。中國建筑科學研究院的PKPM結構設計軟件應用比較成熟，可以很好地進行建模和計算分析。但是，老版本的計算程序都遠沒有充分考慮異形柱結構的眾多構造要求在程序中的具體實現，所以，這就要求設計人員需要進行很多構造措施的條件校核和配筋調整。

1.4 構造設計

1.4.1 異形柱軸壓比的控制

異形柱在單調荷載，特別在低周反復荷載作用下，粘結破壞較矩形柱嚴重，延性比普通矩形柱差，因此，異形柱的軸壓比限值比矩形柱嚴格得多。《異規》軸壓比較矩形柱結構的柱軸壓比限值低很多。所以，在程序試算后，應按上述條件初步確定出各柱的軸壓比具體限值，并在配筋簡圖中仔細查看各層柱的計算軸壓比是否有超限的。因為此時異形柱的實配縱筋和箍筋還是未知的，老版PKPM程序無法判斷每個柱的軸壓比具體限值，只有在軸壓比超過矩形柱結構的軸壓比限值時，程序才會報告軸壓比超限。因此，異形柱的軸壓比超限，必須逐一手工核算。

1.4.2 異形柱結構框架梁柱配筋率的控制

為了保證異形柱有更高的安全度，節點有更好的延性和粘結強度，同時也減小節點鋼筋配置的困難，異形柱結構的框架柱全部縱向受力鋼筋（不包括縱向構造鋼筋）的最大總配筋率為3%，普通矩形柱結構的框架柱最大總配筋率卻為5%；異形柱結構的框架柱全部縱向受力鋼筋最小總配筋率的要求見表1，且按全截面面積計算的柱肢各肢端受力縱筋配筋率不應小于0.2%。

表1 框架柱全部縱向受力鋼筋的最小總配筋率(%)

1.4.3 異形柱結構框架粱縱筋直徑的控制

異形柱的肢厚都很小，它對梁縱筋的錨固能力比普通矩形柱差。因此，不應大于25mm；而普通矩形柱框架的要求僅為1/20。應用SATWE程序進行異形柱設計時，程序自動配筋時沒有針對異形柱結構的這個特殊情況進行專門處理，所以，程序自動生成的配筋圖需要設計人員對梁縱筋的直徑逐一進行復核。

1.4.4 柱壁厚度和混凝土標號的選擇

參照規范及實踐經驗來看，柱肢的厚度最小不少于200mm。一般采用為200～250mm比較合理。對于10層及以上框架其下面兩層梁柱節點處的鋼筋有時顯得比較密集。因此不宜減薄。在梁跨度較大時，柱子往往顯得截面不足，軸壓比太大，鋼筋過分密集。因此最好把一二層柱混凝土標號提高到C40左右，避免采用加大壁厚的方案。當樓層更高時，不得已才采用加大壁厚的方法，因為異型柱的優點在于少占或不占層間面積，有利于家具的布置，若盲目采用加大壁厚的方案，則這個優點就不明顯了。如果確實不行時最后只能采用矩形柱代替了。

2 工程算例

2.1 工程概況

某多層異形柱框架結構。共6層。地震烈度為Ⅶ度（設計基本地震加速度為0.15g），框架抗震等級為三級。填充墻為250、200厚MU10加氣混凝土空心砌塊（容重＜8kN/m3）。

2.2 設計心得

（1）在設計該結構時，最初將混凝土強度等級定為C30，但是計算得到的異形柱軸壓比超過規范規定限制，同時梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率超過《異規》表6.3.5的要求。雖然對樓板而言，采用C30混凝土是可以的，但考慮到梁板柱的施工問題，同時為滿足異形柱軸壓比以及梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率的要求，最終將梁板柱的混凝土強度等級全部改為C40。不過考慮到混凝土強度等級較高時樓板易開裂的問題，在樓板設計中需采取必要的抗裂措施。

（2）在設計該結構時，自動生成的柱配筋圖如下（以KZ1為例），S（全截面面積）=312500mm2

As（肢端受力縱筋面積）=308mm2，As/S=0.1%，不滿足《異規》6.2.5“異形柱按全截面面積計算的柱肢各肢端受力縱筋配筋率不應小于0.2%”要求。調整后該柱配筋圖如下，As（肢端受力縱筋面積）=628mm2，As/S=0.2%，滿足要求。因自動生成的柱配筋圖，是以普通矩形框架的配筋率為基礎的，程序中沒有專門考慮異形柱結構的不同，需要設計人員引起重視。

圖1 KZl（自動生成）

圖2 KZl（調整后）

通過該結構的設計，為保證結構安全，結構構造在整個設計過程中起著非常重要的作用。尤其對于異形柱結構而言，實際上是梁柱節點域的設計。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，正確掌握計算機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證。

[1]《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）.

[2]周 艷.異形柱框架結構淺析[J].工程建設與設計，2006，1：29～30.

[3]葉 倩.異形柱結構設計探討[J].工程設計，2006，20（2）：134～136.