建筑工程中异形柱框架结构设计探讨

施磊

摘 要：目前，在我国许多城市都推广和应用异形柱框架结构，因其有诸多的优点，室内不出现棱角、便于家具布置、扩大房间的有效使用面积等。文章简述了异形柱框架结构体系的特点及设计要点，并结合具体实例，探讨了异型柱框架结构在实际工程中的设计应用，以供参考。

关键词：建筑；异形柱框架结构；设计

中图分类号：TU198文献标识码： A 文章编号：

1 异型柱框架结构体系的特点

特点：①柱肢厚通常采用180～200mm，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柱的平面布置很灵活，异型柱结构的围护墙通常是非承重的轻质隔墙，受建筑的限制较少，这使得房间布置更加灵活，可很好地满足业主对大开间建筑的需求；③异型柱框架与矩形框架相比，抗震性能有明显的提高，质量减轻是其抗震性提高的主要原因，此外，抗侧刚度对抗震性能的提高也有一定的影响；④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 异型柱框架结构的设计要点

2.1 结构布置

与—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要点：

（1）为了避免扭转带来的不利影响，结构平面宜尽量对称，使平面和刚度均匀，两个主轴方向应协调布置；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）为了避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，竖向布置应力求体型规则、均匀，尽量避免错层。

（4）受力复杂部位的异形柱，宜采用一般框架柱。

2.2 适用的房屋最大高度和最大高宽

异形柱框架结构在6 度（0.05 g）抗震设防烈度区，房屋最大高度24 m，高宽比不宜大于4；异形柱框架在7 度（0.10 g）抗震设防烈度区，要求房屋高度小于35 m，层数小于12 层，建筑物的高宽比不宜大于5；在8 度（0.20 g）抗震设防烈度区，房屋高度小于25 m，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

抗震等级的高低，体现了对抗震性能要求的严格程度，它是计算和构造上保证结构延性和变形能力而采取的必要措施。抗震等级一般根据地区的抗震设防烈度、结构类型、结构高度来确定。由于异形柱框架其延性低于矩形柱框架，因此其抗震等级也高于同高度的矩形柱框架结构。

3 设计实例

3.1 工程概况

某建筑地下一层（层高3.6 m），地上7 层（层高3 m），顶层为坡屋顶，总层高为3×7＋3.6＝24.6 m。经过研究讨论，该工程确定采用异形柱框架结构设计，地下本工程抗震设防烈度为7 度，异形柱框架结构的抗震等级为三级，异形柱结构弹性层间位移角限值为1/600，弹塑性层间位移角限值为1/60，轴压比限值：L 形0.60，T 形0.65，十字形0.70。

3.2 平面布置

（1）鉴于异形柱受力复杂且抗震性能不好，能采用矩形柱的地方优先采用矩形柱，对于卧室等对空间有要求的地方采用异形柱。

（2）设计时应和建筑师商量尽量使纵横柱网轴线对齐拉通，震害表明柱网轴线不对齐形不成完整的框架，可能因扭转效应和传力路线中断等问题引发严重震害。

（3）对于异形柱结构L 形柱宜采用两肢等长的柱，但是由于建筑方案地下室一侧为停车库，为了保证车子出入的宽度，这一排异形L 柱均采用不等长的柱，但保证两肢肢高比不超过1.6。

（4）在用PKPM 建模时，因为建筑图中有部分轴线间离不大，若建两个节点容易出现短梁，而且建两个节点柱子只能布置在一个节点上，另一节点上的梁程序不可以搭在此柱上，这样程序计算时容易出错，所以对此问题的解决办法是两轴线间离不大时，一轴线上的梁柱采用偏心方式布置在另一轴线上，这样就解决了短梁和不认梁搭柱的情况。

（5）电算建模中柱子配筋要采用双偏压原则，考虑双向地震作用计算。

3.4 PKPM 计算

PKPM 计算结果，见表1、表2。

表1 周期、地震力与振型输出文件（侧刚分析方法）

表2 SATWE 位移输出文件

PKPM 系统完成了异形柱的布置、计算、施工图设计，但在异形柱布置时，要注意偏心、转角的应用；在TAT 或SATWE计算时要知道异形柱的刚度计算、刚域计算、整体内力到柱肢内力的分配计算，特别是轴力的分配计算和异形柱的配筋计算；在绘制施工图时要了解异形柱的构造要求和角点筋的配置，架立分布筋的设置。

3.5 其他方面

顶层托斜层顶的柱，规程没涉及，它所受轴力、弯矩均不大，柱本身强度没问题，关键是顶部结构的整体性能。设计人员自动把握抗震设计的异形柱结构不应有的错层，原因是避免形成短柱，但楼梯处容易形成短柱，所以，在楼梯间两侧布置剪力墙，其他地方可用异形柱，但能用方柱的地方尽量用方柱。

4 结束语

民用建筑的市场需求日益朝着大开间、大空间的方向发展，给异形柱框架结构体系带来了广泛的应用前景，尤其是在地震烈度7 度以下地区，它不失为一种安全、经济的结构方案选择。当然，异形柱框架结构的弱点不容忽视，但其优点也很明显。只有在设计中遵循概念设计要求，充分了解异形柱的受力特点和破坏机理，选用合理的结构布置，处理好结构构造，正确使用计算机分析方法，才能确保结构安全可靠、经济适用。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。