異形柱框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計要點

錢 坤 李淵哲

長春建筑學(xué)院（130607）

1 引言

結(jié)構(gòu)體系是建筑的支撐部分，是載體，是工業(yè)化的首選，為構(gòu)件一體化設(shè)計創(chuàng)造首要條件。 建筑設(shè)計的過程中，對于結(jié)構(gòu)體系的選擇至關(guān)重要。 結(jié)構(gòu)體系決定了整體設(shè)計的施工工藝，以及對于建筑材料和施工方式的選擇，影響到諸多后續(xù)的設(shè)計方案。異形柱框架結(jié)構(gòu)是我國近幾年來大力推廣的建筑結(jié)構(gòu)形式，與普通框架結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)在室內(nèi)布置中作為主要承重構(gòu)件，將框架及剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)點融合，為建筑設(shè)計與建筑空間的有效利用提供了有利條件，有良好的經(jīng)濟與社會效益。

1.1 異形柱結(jié)構(gòu)體系的概況

異形柱，顧名思義即是不規(guī)則形態(tài)的柱子，柱子的截面形狀常見的有T 型、L 型、十字型，因其特殊的截面形狀， 所以梁柱節(jié)點處核心區(qū)面積會很小，節(jié)點處抗震性能較差，這種特殊構(gòu)造對整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響尚處于進一步研究當(dāng)中。 通常情況下，對異形柱各肢長度是否一致沒有明確的設(shè)計要求，但為設(shè)計及后續(xù)計算方便，需設(shè)計為等肢異形柱，若因結(jié)構(gòu)需要而設(shè)計為不等肢時，肢高比要小于1.6。考慮到結(jié)構(gòu)的空間布置，要盡量使肢厚與連墻厚度相等，避免出現(xiàn)凸柱，否則會失去結(jié)構(gòu)空間排列的意義。

1.2 異形柱框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

對于大眾而言，更關(guān)心的是住房內(nèi)部的實際使用面積，在有限的空間內(nèi)如何將家具布置得更合理，這也就對結(jié)構(gòu)形式有了實際要求。傳統(tǒng)的矩形柱框架結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)形式單一，建筑空間無法得到充分利用，已無法滿足大眾需求。 異形柱框架結(jié)構(gòu)有效地提升了住宅室內(nèi)平面空間布置的效果，使住房空間的使用率得到了有效提高；對于施工而言，施工速度加快，施工質(zhì)量得到保障，其綠色、環(huán)保、節(jié)能等特點也符合可持續(xù)發(fā)展的理念； 對于結(jié)構(gòu)而言，異形柱結(jié)構(gòu)體系在很大程度上減輕了結(jié)構(gòu)自身的重量，相同條件下，異形柱的柱截面面積要小于矩形柱的柱截面面積，減少了柱的重量，此外填充墻材料可以選擇輕質(zhì)材料，從而大大減少了異形柱結(jié)構(gòu)的整體重量，避免因自重過大而造成結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性失衡，同時也提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 異形柱結(jié)構(gòu)體系的計算

2.1 計算方式

從大多工程實例來看， 單肢的異形柱比較少見；在多肢的情況下，其剪切面形心處往往處于受力控制范圍之外，受力時要靠各柱肢交點核心處來協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形和協(xié)調(diào)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。 在柱截面對稱軸受到水平力作用的情況下，因其結(jié)構(gòu)的特殊形式，計算分析的翹曲應(yīng)力會很小，此時承受水平力的偏壓構(gòu)件仍可按照平截面假定分析， 并根據(jù)具體的設(shè)計規(guī)范進行計算；當(dāng)水平力較大時，在一定程度上會出現(xiàn)水平作用力偏離對稱軸的情況，這時應(yīng)將翹曲應(yīng)力考慮到影響范圍之內(nèi)，一般可通過SATWE 軟件來進行受力分析，以決定柱的配筋形式。

2.2 注意事項

在實際施工過程中，房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)中布置的垂直構(gòu)件并非都是異形柱。 通常由墻肢相對較長的剪力墻和一些短肢剪力墻混合形成異形柱框架結(jié)構(gòu)。在對這種結(jié)構(gòu)進行計算時，一些設(shè)計師通常將異形柱計算為短肢墻， 或者根據(jù)短肢剪力墻計算異形柱框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的所有異形柱，這與原設(shè)計方案肯定有很大的差異，不僅會影響整體結(jié)構(gòu)的安全，而且會造成不必要的錯誤。

3 構(gòu)造要求

異形柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式較為復(fù)雜，因此其應(yīng)用會受到一定的限制。 為保證異形柱結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，在實際設(shè)計過程中，需注意以下幾點：

3.1 結(jié)構(gòu)的平面布置

在整個結(jié)構(gòu)的布局中，設(shè)計人員不應(yīng)局限于整體使用異形柱，為了保證結(jié)構(gòu)形式的完整，也為了使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性達到規(guī)范要求，可以將矩形柱與異形柱混合使用于結(jié)構(gòu)當(dāng)中。 在受力復(fù)雜的區(qū)域，應(yīng)特別注意矩形柱的使用，布置面積應(yīng)使結(jié)構(gòu)平面剛度均勻?qū)ΨQ，并應(yīng)盡可能控制或減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的不利影響；注意垂直布局的形狀，從簡規(guī)劃，避免樓層剛度沿垂直方向的突變。

3.2 軸壓比及剪跨比的控制

軸壓比是控制結(jié)構(gòu)延性的重要因素。 通過計算，側(cè)向延性會隨著軸壓比的上升而急劇下降，延性大幅度下降不單局限于異形柱，矩形柱也會出現(xiàn)類似情況。 為保證異形柱的延性符合國家規(guī)范要求，應(yīng)把控好軸壓比， 設(shè)計人員在選擇柱的截面尺寸時，應(yīng)保證其截面足夠大，以防止因出現(xiàn)任何偏壓而破壞結(jié)構(gòu)形式，同時還需滿足抗震要求。

剪跨比影響著結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，是一項重要參數(shù)。 異形柱結(jié)構(gòu)的抗剪性能與其他結(jié)構(gòu)相比較差，應(yīng)盡量避免短柱設(shè)計出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中。

3.3 配筋要求

為了使異形柱具有更高的安全性，柱節(jié)點有更好的延展性和凝聚力，同時減小節(jié)點區(qū)鋼筋配置的困難，異形柱結(jié)構(gòu)的框架柱全部縱向受力鋼筋的最大總配筋率為3%， 而普通矩形受力鋼筋的總配筋率為5%； 異形柱結(jié)構(gòu)框架柱各受力鋼筋最小總配筋率要求見表1，按總截面積計算的柱肢縱筋率不得小于0.2%。

表1 異形柱結(jié)構(gòu)各受力鋼筋最小配筋率

3.4 高寬比的限定

異形柱框架結(jié)構(gòu)體系的使用具有局限性，僅適用于低層住宅，這和它的構(gòu)造形式有關(guān)。 為保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能，必須對其結(jié)構(gòu)的高寬比進行合理規(guī)劃。 關(guān)于異形柱框架結(jié)構(gòu)房屋使用的最大高寬比要求見表2。

表2 異形柱框架結(jié)構(gòu)的高寬比

4 結(jié)語

異形柱結(jié)構(gòu)是多層住宅中常用的結(jié)構(gòu)形式。 在多層住宅當(dāng)中，如果應(yīng)用純剪力墻結(jié)構(gòu)會使得施工量增加，施工周期加長；采用框架結(jié)構(gòu)，柱子的占用面積增多，無法達到空間最大使用效果；采用砌體結(jié)構(gòu)，它的整體性能與異形柱框架結(jié)構(gòu)相比也相差很多。 異形柱框架結(jié)構(gòu)具備諸多優(yōu)點，在廣泛應(yīng)用的過程中也越來越受到建筑行業(yè)的喜愛，不僅形成了新的建筑結(jié)構(gòu)體系，也為住宅建筑創(chuàng)造了實實在在的使用價值。 異形柱結(jié)構(gòu)本身具有良好的受力能力，與剪力墻結(jié)構(gòu)互補組成了完整的綜合建筑結(jié)構(gòu)。 但異形柱結(jié)構(gòu)截面變形能力等性能較矩形柱不足，而且異形柱結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)明顯，這就需要設(shè)計人員在計算分析以及構(gòu)造形式上精準(zhǔn)把控，通過必要的構(gòu)造措施來確保設(shè)計的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的安全。