浙江建院建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院

摘要：在日常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是精品住宅設(shè)計(jì)和別墅設(shè)計(jì)過(guò)程中，業(yè)主對(duì)戶內(nèi)空間要求，特別是“墻不露角”等的要求越來(lái)越高，因此，異形柱的應(yīng)用就逐步趨向廣泛。異形柱框架結(jié)構(gòu)作為一種實(shí)用與功能性強(qiáng)且美觀亦較經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，能更好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代建筑多種要求，因此具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該結(jié)構(gòu)形式一般指同層內(nèi)異形柱數(shù)量超過(guò)柱總數(shù)量10%的框架或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，適用抗震設(shè)防烈度為6度或7度的地區(qū)。為此，文章對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的探討。

關(guān)鍵詞：異形柱；結(jié)構(gòu)；布置；設(shè)計(jì)

1、異形柱及異形柱結(jié)構(gòu)體系

異形柱就是異形截面柱的簡(jiǎn)稱。在這里所說(shuō)的“異形截面”，就是說(shuō)的柱截面的幾何形狀和經(jīng)常用的矩形截面是不一樣的。異形柱截面的幾何形狀可分為十字形、T形、L形，并且截面各肢的肢高肢厚比不得大于4的柱。

異形柱結(jié)構(gòu)體系是指采用輕質(zhì)填充墻及隔墻的現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2-4，相對(duì)于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻。

2、異形柱在建筑框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍

2.1 現(xiàn)在的社會(huì)里，異形柱在住宅中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，主要是由于以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）異形柱框架由于室內(nèi)無(wú)棱角，有利于家具的擺設(shè)們可以增加局部使用面積；

（2）異形柱的平面布置很靈活，異形柱結(jié)構(gòu)的維護(hù)墻都為非承重的輕質(zhì)隔墻，受的空間利用的限制少，易于滿足業(yè)主的空間需求；

（3）異形柱可以建造高層，節(jié)約土地資源，造價(jià)比框架底，也是一種經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。

2.2 異形柱的適用范圍：

（1）居住建筑（住宅及宿舍）；

（2）抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g及0.15g）和8度（0.20g，I、II、III類場(chǎng)地）；

（3）柱網(wǎng)尺寸不宜大于6.6m；

（4）房屋總高度的限制。

對(duì)于建筑不是太高的住宅，使用異形柱結(jié)構(gòu)體系能夠很好的滿足建筑功能和使用要求。隨著科研和設(shè)計(jì)人員的不斷探索和專研，新的建筑結(jié)構(gòu)體系將不斷地出現(xiàn)，也會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3、異形柱的受力性能特點(diǎn)

（1）由于異形柱截面的特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異；

（2）對(duì)于長(zhǎng)柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)短柱（H/h<4），剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率或者極限壓應(yīng)變較小，使彎曲變形性能有限，延性較差；

（3）異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯；

（4）異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。由國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)資料和理論分析，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長(zhǎng)比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過(guò)可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來(lái)保證其強(qiáng)度和延性。

4、異形柱框架設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題

4.1 異形框架的計(jì)算

由于異形柱截面的特殊性，在柱截面對(duì)稱軸內(nèi)受水平力作用時(shí)，彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按砼設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，特別是在框—剪，框—筒結(jié)構(gòu)中，對(duì)6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地，框架柱只承擔(dān)水平風(fēng)載的一小部分，如按一般偏壓柱計(jì)算，誤差較小。此時(shí)異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進(jìn)行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，宜選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件目前，國(guó)內(nèi)可直接進(jìn)行異形柱截面內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)的軟件有建研院的TAT、SATWE程序等。這些程序均用數(shù)值積分法進(jìn)行正截面配筋設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過(guò)大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

4.2 軸壓比控制

對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重 要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對(duì)提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對(duì)柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對(duì)異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。

4.3 配筋構(gòu)造

在正確的結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點(diǎn)，柱肢端部會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對(duì)柱肢形成偏心壓力，進(jìn)一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時(shí)，應(yīng)在肢端設(shè)暗柱，暗柱的外排鋼筋由計(jì)算而定。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復(fù)合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標(biāo)好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

5、異型柱框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 異形柱結(jié)構(gòu)的平面布置：

（1）在異形柱結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。

（2）結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的不利影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移分別不宜大于該樓層兩端相應(yīng)平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層兩端相應(yīng)平均值的1.4倍。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.85。

（3）異形柱框架結(jié)構(gòu)和異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)計(jì)成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

（4）異形柱結(jié)構(gòu)不應(yīng)用于單跨框架結(jié)構(gòu)。

5.2 異形柱結(jié)構(gòu)的豎向布置：

（1）建筑立面和豎向剖面宜規(guī)則，均勻，避免過(guò)大的外挑和內(nèi)收。

（2）異形柱結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿豎向宜均勻分布，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力沿豎向的突變，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度不宜在同一層變化。

（3）異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的剪力墻應(yīng)上下對(duì)齊連續(xù)貫通房屋全高。

（4）異形柱框架不應(yīng)采用樓層錯(cuò)層的設(shè)計(jì)方案。

（5）異形柱不宜在樓層半層處單面設(shè)置挑梁。

5.3 異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列原則考慮地震作用：

（1）抗側(cè)力結(jié)構(gòu)正交布置時(shí)，應(yīng)允許在結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別考慮水平地震作用。

（2）有斜交抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)相交角度大于15度時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各抗側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。

（3）質(zhì)量與剛度明顯不對(duì)稱、不均勻的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；其他情況，應(yīng)允許采用調(diào)整地震作用效應(yīng)的方法計(jì)入扭轉(zhuǎn)影響。

對(duì)于不規(guī)則的異形柱結(jié)構(gòu)，需要滿足《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149-2006）.相關(guān)要求。

5.4 異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法：

（1）異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應(yīng)大于4，且肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm。

（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）L b確定（Lb為計(jì)算跨度），且非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于 350mm.，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于400mm，梁的截面寬度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。

（3）異形柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C25和不大于C50，這是由于異形柱截面尺寸薄，混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C25的話可能達(dá)不到其與鋼筋之間保證粘結(jié)的要求。強(qiáng)度等級(jí)為C25異形柱構(gòu)件及科學(xué)研究相對(duì)較少，還不足以形成編制條文的基礎(chǔ)。

（4）異形柱的鋼筋應(yīng)滿足下列要求：1.鋼筋直徑不應(yīng)小于14mm，不應(yīng)大于25mm；2.縱向鋼筋二、三級(jí)抗震間距不宜大于200mm，四級(jí)不宜大于250mm非抗震不宜大于300mm；3.異形柱全部縱向受力鋼筋的配筋率，非抗震時(shí)不應(yīng)大于4%，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)大于3%。

結(jié)束語(yǔ)

伴隨著我國(guó)民用建筑的發(fā)展越來(lái)越趨向于大的開(kāi)間、大的空間，異形柱框架結(jié)構(gòu)也將要更多地運(yùn)用到了住宅建筑當(dāng)中，所以異形柱框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)師也應(yīng)該全方位剖析異型柱的受力能力，選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)布局，解決好結(jié)構(gòu)的構(gòu)造問(wèn)題，準(zhǔn)確應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分析方案，才可以保證結(jié)構(gòu)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊超，張?jiān)疲愋沃蚣芙Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)[J]，山西建筑，2010（12）

[2]李穎，建筑異形框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題分析[J]，科技與致富導(dǎo)讀，2014（14）24-25

[3]《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149-2006）.