异形柱框架结构设计问题分析

    石瑞吉

    摘 要：通过介绍异形柱、短肢剪力墙的区别，异形柱框架结构设计的一般规定、受力特点及轴压比控制，异形柱框架结构设计的构造措施，并提出建议，供结构设计人员参考。

    关键词：异形柱；短肢剪力墙；长细比；短柱；轴压比；构造

    1 前言

    近年来，从多层框架结构衍生发展的异形柱框架结构因其能较好地满足建筑使用上和结构性能上的要求，而逐渐得到了推广应用。异形柱框架结构主要应用于多层住宅，填充墙采用粉煤灰加气混凝土砌块，厚度与异形柱(T形边柱，十字形中柱，L形角柱等)肢厚相同，室内不出现柱楞，钢筋混凝土异形柱框架结构有如下特点：(1)具有一般矩形柱框架结构整体性较强，抗振延性好的优点。(2)兼有砖混结构的优点，使用面积增加8％～10％，同时又有效解决了砖混房屋超高的技术问题。(3)提供了大空间及住户拆改装修的便利条件。

    目前，现行国家规范或规程中尚未给出有关异形柱结构设计的条款，设计人员所能依据的是一些地方规程，主要是浙江省标准<<钢筋混凝土异形柱设计规程》和杭州市<<大开间住宅钢筋混凝土异形柱框轻结构技术规程》。结构设计人员在设计中常会遇到一些规范或规程尚未论及的问题，需要设计人员积累经验，利用正确的概念进行设计。

    2 异形在结构设计的一般规定

    今年实施的新规范中，并没有把异形柱列入其内，说明国家对异形柱设计是非常慎重的，能够借鉴的也只有上面提到的两地方规程，同时仍应依据我国现行标准中的规定，进行截面、

    构造、抗震等设计。

    2．1 结构布置

    异形柱框轻结构平面布置的一般原则：在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状和刚度均匀对称，明显不对称的结构应考虑扭转对结构受力的不利影响，异形柱框架应双向设置，并宜纵向交联。

    竖向布置的一般原则：异形柱结构的竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑、内收以及楼层刚度沿竖向的突变。

    2．2 适用高度及高宽比、长细比、肢长等限制

    (1)异形柱根架在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度不大于35m，高宽比不宜超过5；8度区房屋高度不大于25m，高宽比不宜超过4。

    (2)柱净高与截面长边之比即长细比不宜小于4且不大于8。根据砼结构规范，长细比小于4即短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱．长细比大于8，易引起附加偏心矩，对轴压构件及小偏心受压构件承载力影响较大。

    (3)根据长细比不直小于4，在梁高为600 mm的前提下，当标准层层高为3．0m时，异形柱的最大肢长可为600mm；底层层高为4、2m时，肢长可为900mm。因此，异形柱的柱肢不应过长，各肢肢高与肢厚比不应大于4，且异形柱截面肢厚对多层建筑不应小于150mm；对高层建筑不应小于200mm

    2．3 抗震等级

    异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求．根据浙江《规程》规定：抗震设防烈度为7度，房屋高度<22m时，为三级抗震，高度≥22m时，为二级抗震；抗震设防烈度为8度，房屋高度≤25m时，为二级抗震．浙江《规程》规定异形柱框架结构只适用于抗震设防烈度为7度及7度以下的地区且房屋高度不超过35m。

    异形柱框架结构对房屋高度控制是比较严格的，一般仅适用于多层住宅．但由于它在结构布置上灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等优点，使之成为近几年住宅设计的一种潮流，不论别墅、多层甚至小高层，作为房产开发商几乎都要求设计院设计成钢筋砼异形柱结构体系．因此设计人员必须慎重对待， 不可麻木跟风，应严格控制各项设计参数。

    ３ 异形桩受力性能特点及轴压比控制

    (1)异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，对于偏压构件，矩形截面的受压区总是矩形，内力臂较大；而对异形柱，受压区图形通常比较复杂，可能为二边形，也可能为多边形．对于受压区呈多边形分布的截面，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过快，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。

    (2)异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。

    (3)异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带未的影响不容忽视，因此，对异形柱结构应按空间体系考虑， 宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析， PKPM、GSCAD、TBSA等国产结构软件均可做异形柱框架结构计算。

    但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战．而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还没有完全建立起来，这就给异形柱设计带来一定的难度，必须在概念设计上予以加强。

    (4)作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱．抗震设计中规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱．天津大学的试验研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，因此异形柱的参数控制应比框肢柱更为严格。

    ４ 异形柱框架结构设计构造

    ４．1 框架柱

    (1)柱纵筋与箍筋设置形式有“L”、“T”、“十”及双排布置等形式．在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应大于25mm，且不小于14mm：纵筋间距大于250mm时， 应设置纵向构造筋，其直径可采用12mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。

    (2)柱截面厚度小于200mm时，纵向受力钢筋每排不应多于2根；肢厚在200～250mm时，每排钢筋不应多于3根，必要时可分二排设置，二排钢筋之间的净距不应小于50mm。

    (3)框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为2级时，中柱、边柱不应小于0．7％ ，角柱不应小于0．9％；抗震等级为3级时，中柱、边柱不应小于0．6％ ，角柱不应小于0．8％．框架柱中全部纵向钢筋的配筋率，抗震设计时,对Ⅱ、Ⅲ级钢筋不宜大于3％ 。

    (4)框架柱应采用复合箍，严禁采用具有内折角的箍筋，箍筋必须做成封闭式．箍筋未端做成不小于135。的弯钩，弯钩端头直段长度不应小于10d(d为箍筋直径)。

    (5)箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1／6和500mm者中的最大值，在加密区内，箍筋的直径不变，间距100mm。

    ４.2 框架节点

    (1)框架梁的截面宽度与异形柱的肢宽相等或梁截面宽度每侧凸出柱边小于50mm时，在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边大于800 mm处，且满足小于1／25坡度的条件下向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。

    (2)当框架梁的截面宽度的任一侧凸出柱边大于等于50mm时，则该侧梁角上的纵向受力钢筋可在本肢柱筋外侧伸入梁柱节点内。

    4．3 柱与填充墙的连接

    (1)异形柱框架结构的填充墙应采用轻质墙体材料，并必须与框架可靠地连接．当采用砌体填充墙时，在框架与填充墙的交接处，沿高度每隔500mm或砌体皮数的适当倍数，用 钢筋与柱拉接，钢筋由柱的每边伸出，进入墙内的长度：2级抗震时沿填充墙全长设置；3级时不小于填充墙长的1／5及700mm．填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于M2．5。

    (2)填充墙长度大于5m时，墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过4m时，宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋砼水平墙梁。

    5 结束语

    随着我国住宅产业化、现代化不断深入，今后将会对结构设计提出更高的要求。异型柱结构设计目前还没有统一的国家规范，这说明还有许多基础性工作没有完成，但在实际工程中异型柱框架结构却大量应用，这就需要设计人员从该体系基本特征出发，认真进行内力分析计算。并结合不同截面形式的异型柱进行承截力计算，注意把握有关构件的配筋设计，处理好一系列结构构造，保证结构的安全性、可靠性、经济性，不断地完善、充实、发展异型柱框架结构体系的有关设计理论。

    参考文献

    [1]GB 50010-2002，混凝土结构设计规范Is]．

    [2] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[s]．