异型框架柱结构在工程中设计心得和分析

摘 要：近年来，随着人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高，对建筑设计布局有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔己越来越不能被房屋使用者所接受，因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题，因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱的形式油然而生，本文详细阐述了异形柱框架的受力特点，对设计实际工程中异形柱结构的分析计算、构造措施等方面进行了探讨，并给出成功的工程设计实例。在此，笔者拟与广大设计人员共同探讨一下混凝土异形柱框架结构的设计心得与应用。

关键词：异形柱结构；框架结构；结构设计

引 言

异形柱框架或异形柱框架-剪力墙结构作为一种全新的结构形式广泛用于多层，小高层住宅建筑中，相对于传统的短肢剪力墙或框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。

异形柱框架结构是指全部或部分柱截面为L形、T形、十字形（以L形柱作角柱，T形柱作边柱，十字形柱作中柱），截面高与肢厚之比小于或等于4的框架结构。结合实际设计施工图纸，异形柱结构的形状也不再拘泥于L、T、十字型这些基本图形，还出现了各种其他图形，在计算时需要灵活应对，适用抗震设防烈度为6度或7度的地区。

1 关于异形柱框架结构的特点

（1）异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，实验研究及理论分析表明：异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载（作用）方向不同而有较大差异。在L形、T形和十字形三种异形柱中，以L形柱的差异最为显著。当异形柱结构中混合使用等肢异形柱与不等肢异形柱时，则差异情况更为错综复杂，成为异形柱结构地震作用计算中不容忽视的问题。实验表明，异形柱在单调荷载特别在低周反复荷载作用下粘结破坏较矩形柱严重。对柱的剪跨比不应小于1.5的要求，是为了避免出现极短柱，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性，为了设计方便，当反弯点位于层高范围内时.柱的净高与柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震设计时不应小于3。

（2）异形柱多为两肢、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力时要靠各肢交点处核心混凝土协调变形和内力分布。由弹性分析知道这种變形协调使各柱肢存在相当的翘曲正应力和剪应力，而该剪应力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通压剪构件出现裂缝，其次对各肢相交之核心混凝土，使其单元应力呈三维剪压状态，由此使异形柱较普通框架柱变形能力低，脆性破坏明显。

（3）异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节。为确保安全，对抗震设计的二、三、四级抗震等级柱节点核心区以及非抗震设计的梁柱节点核心区，均应进行受剪承载力计算。在设计中，尚可采取各类有效措施，包括例如梁端增设支托或水平加腋等构造措施，以提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。对于纵横向框架共同交汇的节点，可以按各自方向分别进行节点核心区受剪承载力计算。

（4）异形柱作为压剪构件，由于其肢长与肢宽之比以及肢宽等介于普通框架柱和剪力墙肢之间，说明异形柱是介于两者之间的一种“过渡性”构件。试验和分析表明异形柱作为压剪构件，其破坏形态有：弯曲破坏，小偏压破坏，粘接破坏，高压剪破坏以及剪压破坏，剪拉破坏和斜压破坏。和其破坏形态相关的主要因素是：轴压比、柱净高与截面肢长之比（即剪跨比）、纵筋配筋率等。通过必要的构造措施可以防止粘结、剪拉及斜压等脆性破坏，提高柱肢的小偏压及剪压破坏的延性。

2 异形柱框架结构在SATWE中的设计与应用

SATWE能有效地分析混凝土异形柱的结构并进行截面配筋设计，在梁的刚度、荷载、及截面配筋计算时，充分考虑了异形柱框架结构的特殊性。由于混凝土异形柱的柱肢较长，梁、柱在节点处的重叠部分较大，合理的力学模型简化应将重叠部分作为刚域，自重计算时不应重复计算重叠部分的混凝土重量，SATWE软件中对梁考虑了这样的力学模型简化：

（1）梁的计算按扣除刚域后的梁长计算：

（2）梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算；

（3）截面设计按扣除刚域后的梁长计算；

（4）梁端刚域的计算原则如下：

记梁两端与柱的重叠部分长分别为Di和Dj，梁长为L（即两端节点问的距离），梁高为H，则梁两端的刚域的长度分别为：

Dbi=Ma×（0，DiH/4） Dbj=Ma×（0，Dj-H/4）

扣除刚域后的梁长为：LO=L-（Dbi+Dbj）

《异规》第6.1.3条规定，异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。这是因为肢厚较小时，会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，故限制肢厚不应小于200mm，以保证结构的安全及施工的方便。而限制肢高一方面为了满足伸入柱内的梁纵向钢筋锚固长度，另一方面是考虑柱双向正截面承载力要求和双向受剪性能的要求。异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm。当节点的非弹性变形较大时，贯穿节点的柱纵向钢筋粘结退化与滑移加剧，甚至出现沿节点区柱纵向钢筋全长粘结破坏、现象发生。为保证其粘结应力不致过大，避免上述现象出现，规定梁的高度、即节点高度不能太小。异形柱结构框架节点钢筋粘结条件可能不如普通框架节点钢筋粘结条件，故务必遵守此条规定。

对于异形柱框架结构来说，在把握规范和在SATWE计算中还有许多需要注意的地方，这里仅列举了部分的信息供大家参考。

3 关于异形柱框架结构在设计中的实例相关分析

3.1 工程概况

某多层异形柱框架结构，共6层。地震烈度为6度（设计基本地震加速度为0.05g），框架抗震等级为四级。填充外墙为200厚MU5.0轻骨料混凝土空心砌块（容重<13KN/m），填充内墙为200厚MU5.0蒸压加气混凝土砌块（容重<8kN/m）。

3.2 设计心得

在设计该结构时，最初将混凝土强度等级定为C25，但是计算得到的异形柱轴压比超过规范规定限制，同时部分框架柱核心区节点域抗剪超过规范值。故修改柱混凝土标号为C30，重新计算，满足规范要求。计算中，框架柱会有节点域计算不通过，这时候我们就需要通过各种措施，比如增加混凝土标号，增大柱截面面积等施工措施来保证节点域抗剪满足要求。

异形柱截面形式的不同，其节点受剪承载力也差别较大。十形截面柱的翼缘布置在节点截面中间受力最大的部位，翼缘的作用得以充分发挥，节点受剪承载力与同截面面积的矩形柱相差不大，T形截面次之，L形相差最大，受剪承载力下降最大。有关研究表明：L形、T形、十形柱节点的受剪承载力比具有相同有效截面的矩形柱节点分别低33%、17.5%、8%左右，且用于矩形柱框架节点抗剪验算的公式已不适用于异形柱节点。

节点已经成为异形柱结构的薄弱环节，考虑到节点处钢筋的锚固以及保证节点区混凝土浇筑的质量，柱钢筋数量不宜过多且直径不宜过大。通过该结构的设计，结构构造在整个设计过程中起着非常重要的作用。尤其对于异形柱结构而言，实际上是梁柱节点域的设计。

4 小 结

总之，异形柱框架结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的柱网布置形式，正确掌握计算机分析方法加上人为分析，合理配置截面钢筋，使结构具有可靠的安全保证。

参考文献

[1]于跃海.多层钢筋混凝土框架结构改造与异形柱应用[J].工程建设与设计，2011年07期.

[2]朱杰江，袁涛，王坚.异形柱框架结构优化[J].河南工程学院学报（自然科学版），2012年02期.

作者简介：汪杨（1982-），女，汉族，安徽合肥人，工程师，主要从事结构设计工作。