异形柱框架结构设计的几点思考

2010-01-01陈慧敏

中国新技术新产品 2010年11期

陈慧敏

（新昌县一建公司建筑设计所，浙江新昌 312500）

1 前言

随着房地产的发展，异形柱框架结构体系被广泛地应用于住宅设计中.与传统结构相比，由于采用了“T”形边柱、“十”字形中柱、“L”形角柱，避免了房间边角因采用矩形柱时所产生的棱角突出，从而使房间平整、布置灵活、方便，深受用户欢迎。异型柱框架结构体系在一定程度上满足了用户对住宅功能的要求，它博采了框架及剪力墙结构体系的优点，它将是今后住宅结构体系的发展方向之一。异型柱框架结体系具有以下主要优点：(1)柱肢厚通常采用l80mm-200mm，肢厚基本与填充墙等厚，框架梁宽也同墙厚，室内不凸出梁柱，便于使用又美观，同时还增加了房间的使用面积，比相同形式的砖混结构可增加约8%～10%的使用面积；(2)围护墙通常是非承重的轻质隔墙，原则上允许任意穿墙打洞，甚至拆除重砌，这使得房间布置更加灵活，能更好地实现建筑功能的要求；(3)虽然增加了施工难度，但因扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用，综合考虑总体经济效益较好。

2 异形柱结构设计的一般规定

2.1 结构布置

与一般钢筋混凝土框架结构相比，异形柱框架结构在结构布置时应注意以下原则：(1)结构平面宜尽量对称，使平面和刚度均匀，2个主轴方向应协调布置，避免扭转带来的不利影响；如果有明显的不对称，应考虑扭转对结构受力的不利影响。(2)异形框架宜双向设置，框架柱应对齐，框架梁应拉通，避免纵横框架梁相互支撑，使结构形成空间受力并具有足够的承载能力、刚度和稳定性，同时具有良好的整体性和较好的抗震性能。(3)竖向布置应力求体型规则、均匀，避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，尽量避免错层。

2.2 适用高度、高宽比及长细比限制

异形柱框架在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度^≤35In，层数<12，建筑物的高宽比不宜大于5；8度区房屋高度不大于25m，建筑物的高宽比不宜大于4。另外，柱净高与截面长边之比，即长细比宜大于4小于8。长细比小于4(即短柱)，容易发生脆性剪切破坏；长细比大于8，易引起失稳破坏。

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。

3 异形柱的结构计算方法

目前，异形柱的结构设计还没有统一的国家规范，仅有两部地方性法规，即广东省和天津市的标准叫可供参考。异形柱不宜套用普通柱的配筋公式，也不宜直接用剪力墙的配筋公式，一般来说，有以下几种计算方法。

3.1 直接计算法

根据国内外的部分试验结果，进行统计分析，拟合成经验公式。即按T型截面分别计算出纵向力作用x轴及y轴，考虑相应的初始偏心距增大系数后，按仅考虑曲肘边纵向受力钢筋计算的偏心受压构件所能承载的纵向力Nx和Ny，然后以初始偏心距与截面边长的比值为参数进行修正。

3.2 等代矩形柱计算法

3.2.1 将异形柱截面折算成惯性矩相等的矩形截面且将等代矩形柱的形心置于异形柱两肢杆轴线的交点上。

3.2.2 将其输入空间分析程序 (如TBSA)进行位移和内力计算，可简化工作量。

3.2.3 以上电算输出的是作用在等代矩形杆形心处的组合内力，需将其回归到各个单肢截面的形心处。这样每个单肢就可按其各自的组合内力进行正、斜截面的配筋计算。

这种用面积等效换算作抗压抗剪分析的方法在工程中应用较多，但用这种方法计算时应明确的是按矩形柱计算时得出的内力要转换到异形柱上断面形心的位置.然后按异形柱计算配筋；按矩形柱得出的轴压比应乘以矩形柱断面面积与异形柱断面面积之比值才是异形柱的轴压比。

3.3 先配筋再复核法

对于有经验的设计人员，在参考一些相关算例的前提下，可以先对异形柱配筋再复核截面就显得更为简便，截面复核时可分x轴和y轴均按T型截面分别复核。

不论是哪种计算方法，都可以参与GB 50010 2002混凝上结构设计规范有关偏心受压构件的内容来进行计算。

4 异形柱框架结构的计算和配筋要点

普通框架柱一般采用方形或矩形，为了使2个主轴方向的受力性能相差不大，一般要求h/n≤1.5，剪力墙肢一般要求 hw/bw>4，而异形柱作为一种新型的承受竖向力构件，hz/b22～4介于框架柱与剪力墙之间，从而使其受力特点亦介于普通框架柱与剪力墙之间。异形柱内力计算时，既不能完全按普通框架柱，亦不能照搬剪力墙肢进行。

目前，大多数设计人员采用由中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部《多层及高层建筑结构空间分析程序TBSA》进行内力计算。由于程序是以矩形截面柱为研究对象的，而对异形柱的结构几何数据输入无明确规定，输入时把异形柱用具有相同抗弯刚度的矩形柱等替换，然而由于框架柱属于压剪构件，除了要求有相当的刚度外还应有较好的抗剪能力，为保证柱子具有一定的延性，设计时通过对剪跨比、轴压比、主筋配筋率、配箍率进行限定，使异形柱有较好的抗震性能。

4.1 剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受弯矩与剪力相对大小的一个参数λ=Hn/2h，是影响框架柱破坏形态的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱净高与柱截面肢长之比。由于异形柱的抗剪性能差，选择异形柱截面时，为避免出现短柱，控制λ>Hn/h4，亦即 λ=Hn/2h>2。

4.2 轴压此的限定

轴压比是指柱组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比。即λtN=N/Acfc。它是影响柱破坏形态和变形能力的另一个重要因素。有关研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，为保证异形柱的延性，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，并应满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱。由于异形柱的截面积比具有相同抗弯刚度的矩形柱小，因此用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱。而异形柱的轴压比的限值在规范中又无详细规定，考虑到异形框架柱的抗扭、抗震性能较差，一般认为，设计中应按《混凝土结构设计规范》规定的轴压比限值减少0.05选用。

4.3 抗震调整系数的选取

考虑地震作用组合的异形柱，其截面承载力应除以承载力抗震调整系数γRE。对于正截面承载能力，取γRE=0.8；对于斜截面承载力取γRE=0.85。

4.4 梁、柱配筋时应注意的问题

由于梁和柱肢的宽度较小，因此，施工图配筋时必须注意钢筋的直径、根数和钢筋间的净距应满足构造要求，保证混凝土浇筑、振捣的可行性和合理性，否则混凝土的施工质量难于保证，这种结构形式也就难于推广。当计算配筋量确实需要增加时，建议按双排钢筋放置的办法解决。

理论上，随着配筋率p的增大，承载能力随之增大，但一般我们在设计时，柱的配筋率宜控制在0.8% ～10% 。如果保持其它条件不变，增大箍筋直径d或减小箍筋间距都能提高柱截面的延性和强度。因为箍筋不仅能防止脆性的剪切破坏，而且能约束棱芯混凝土，提高混凝土的极限变形能力，减小纵筋的无支撑长度，延缓纵筋失稳，所以地震区异形柱框架粱柱箍筋的配置，还必须满足抗震构造要求。

异形柱截面双向偏心受压时，由于没有对称的中和轴，故力学分析和配筋计算较为复杂，必须借助于有关规程和计算机软件才能进行设计，对计算机输出的结果，必须严格认真的核对，在安全上确认可靠后再用到工程中去。