異形柱框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

錢 坤 李淵哲

長(zhǎng)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(jì)創(chuàng)造首要條件。 建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)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(jì)的施工工藝，以及對(duì)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(jì)方案。異形柱框架結(jié)構(gòu)是我國(guó)近幾年來(lái)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(diǎn)融合，為建筑設(shè)計(jì)與建筑空間的有效利用提供了有利條件，有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)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(jiàn)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(diǎn)處核心區(qū)面積會(huì)很小，節(jié)點(diǎn)處抗震性能較差，這種特殊構(gòu)造對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響尚處于進(jìn)一步研究當(dāng)中。 通常情況下，對(duì)異形柱各肢長(zhǎng)度是否一致沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)要求，但為設(shè)計(jì)及后續(xù)計(jì)算方便，需設(shè)計(jì)為等肢異形柱，若因結(jié)構(gòu)需要而設(shè)計(jì)為不等肢時(shí)，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(huì)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(diǎn)

對(duì)于大眾而言，更關(guān)心的是住房?jī)?nèi)部的實(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)形式有了實(shí)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(wú)法得到充分利用，已無(wú)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(duì)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(diǎn)也符合可持續(xù)發(fā)展的理念； 對(duì)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(guò)大而造成結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性失衡，同時(shí)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(jì)算

2.1 計(jì)算方式

從大多工程實(shí)例來(lái)看， 單肢的異形柱比較少見(jiàn)；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(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)核心處來(lái)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(duì)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(jì)算分析的翹曲應(yīng)力會(huì)很小，此時(shí)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(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)水平力較大時(shí)，在一定程度上會(huì)出現(xiàn)水平作用力偏離對(duì)稱軸的情況，這時(shí)應(yīng)將翹曲應(yīng)力考慮到影響范圍之內(nèi)，一般可通過(guò)SATWE 軟件來(lái)進(jìn)行受力分析，以決定柱的配筋形式。

2.2 注意事項(xiàng)

在實(shí)際施工過(guò)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(duì)較長(zhǎng)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(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一些設(shè)計(jì)師通常將異形柱計(jì)算為短肢墻， 或者根據(jù)短肢剪力墻計(jì)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(jì)方案肯定有很大的差異，不僅會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的安全，而且會(huì)造成不必要的錯(cuò)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(huì)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(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需注意以下幾點(diǎn)：

3.1 結(jié)構(gòu)的平面布置

在整個(gè)結(jié)構(gòu)的布局中，設(shè)計(jì)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(dá)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(jiǎn)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(guò)計(jì)算，側(cè)向延性會(huì)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(huì)出現(xiàn)類似情況。 為保證異形柱的延性符合國(guó)家規(guī)范要求，應(yīng)把控好軸壓比， 設(shè)計(jì)人員在選擇柱的截面尺寸時(shí)，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(shí)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(xiàng)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(jì)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(diǎn)有更好的延展性和凝聚力，同時(shí)減小節(jié)點(diǎn)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(jiàn)表1，按總截面積計(jì)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(duì)其結(jié)構(gòu)的高寬比進(jìn)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(jiàn)表2。

表2 異形柱框架結(jié)構(gòu)的高寬比

4 結(jié)語(yǔ)

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(huì)使得施工量增加，施工周期加長(zhǎng)；采用框架結(jié)構(gòu)，柱子的占用面積增多，無(wú)法達(dá)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(diǎn)，在廣泛應(yīng)用的過(guò)程中也越來(lái)越受到建筑行業(yè)的喜愛(ài)，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(shí)實(shí)在在的使用價(jià)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(bǔ)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(jì)人員在計(jì)算分析以及構(gòu)造形式上精準(zhǔn)把控，通過(guò)必要的構(gòu)造措施來(lái)確保設(shè)計(jì)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的安全。