异形柱框架结构设计浅析

刘志明

（大同市建筑设计研究院 山西大同 037009）

引言

随着人们对住宅（特别是别墅）平面与空间布置的要求越来越高，普通框架结构有露梁露柱的缺点，它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。异形柱框架结构体系博采了框架及剪力墙结构体系的优点，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。异形柱结构目前仅适用抗震设防烈度为Ⅵ～Ⅷ度的地区。

1 异形柱框架结构设计中的有关问题

1.1 异形柱及异形柱结构的定义

异形柱是指柱截面摈弃了惯用的矩形柱，而采用多个小墙肢的组合截面柱子，是由剪力墙演变而来。柱肢截面中各肢的肢高肢厚比不大于4，常用的有L形、T形和十字形，亦有采用Z形。《异规》第6.1.4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。除此之外，不等肢异形柱肢高比一般不超过1.6，各肢截面厚度不能相差过大。

1.2 结构平面布置

异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系，根据结构平面布置和受力特点，可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式，特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置宜使结构平面刚度均匀对称，尽量控制或减小扭转效应：竖向布置注意体型力求简单规则，避免过大的外挑内收，避免楼层刚度沿竖向突变；柱网尺寸不易过大，一般不超过6m，柱距大梁高也大，一方面建筑净空难以满足要求，另一方面柱承受的轴力也大，轴压比高，于抗震不利。为保证粱板对异形柱节点的约束，宜采用现浇楼盖。

1.3 设计方法

在异形柱结构设计中，规范要求优先采用能准确反映异形柱结构各构件实际受力状况、基于空间工作的计算程序进行内力与位移分析。中国建筑科学研究院的PKPM结构设计软件应用比较成熟，可以很好地进行建模和计算分析。但是，老版本的计算程序都远没有充分考虑异形柱结构的众多构造要求在程序中的具体实现，所以，这就要求设计人员需要进行很多构造措施的条件校核和配筋调整。

1.4 构造设计

1.4.1 异形柱轴压比的控制

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，延性比普通矩形柱差，因此，异形柱的轴压比限值比矩形柱严格得多。《异规》轴压比较矩形柱结构的柱轴压比限值低很多。所以，在程序试算后，应按上述条件初步确定出各柱的轴压比具体限值，并在配筋简图中仔细查看各层柱的计算轴压比是否有超限的。因为此时异形柱的实配纵筋和箍筋还是未知的，老版PKPM程序无法判断每个柱的轴压比具体限值，只有在轴压比超过矩形柱结构的轴压比限值时，程序才会报告轴压比超限。因此，异形柱的轴压比超限，必须逐一手工核算。

1.4.2 异形柱结构框架梁柱配筋率的控制

为了保证异形柱有更高的安全度，节点有更好的延性和粘结强度，同时也减小节点钢筋配置的困难，异形柱结构的框架柱全部纵向受力钢筋（不包括纵向构造钢筋）的最大总配筋率为3%，普通矩形柱结构的框架柱最大总配筋率却为5%；异形柱结构的框架柱全部纵向受力钢筋最小总配筋率的要求见表1，且按全截面面积计算的柱肢各肢端受力纵筋配筋率不应小于0.2%。

表1 框架柱全部纵向受力钢筋的最小总配筋率(%)

1.4.3 异形柱结构框架粱纵筋直径的控制

异形柱的肢厚都很小，它对梁纵筋的锚固能力比普通矩形柱差。因此，不应大于25mm；而普通矩形柱框架的要求仅为1/20。应用SATWE程序进行异形柱设计时，程序自动配筋时没有针对异形柱结构的这个特殊情况进行专门处理，所以，程序自动生成的配筋图需要设计人员对梁纵筋的直径逐一进行复核。

1.4.4 柱壁厚度和混凝土标号的选择

参照规范及实践经验来看，柱肢的厚度最小不少于200mm。一般采用为200～250mm比较合理。对于10层及以上框架其下面两层梁柱节点处的钢筋有时显得比较密集。因此不宜减薄。在梁跨度较大时，柱子往往显得截面不足，轴压比太大，钢筋过分密集。因此最好把一二层柱混凝土标号提高到C40左右，避免采用加大壁厚的方案。当楼层更高时，不得已才采用加大壁厚的方法，因为异型柱的优点在于少占或不占层间面积，有利于家具的布置，若盲目采用加大壁厚的方案，则这个优点就不明显了。如果确实不行时最后只能采用矩形柱代替了。

2 工程算例

2.1 工程概况

某多层异形柱框架结构。共6层。地震烈度为Ⅶ度（设计基本地震加速度为0.15g），框架抗震等级为三级。填充墙为250、200厚MU10加气混凝土空心砌块（容重＜8kN/m3）。

2.2 设计心得

（1）在设计该结构时，最初将混凝土强度等级定为C30，但是计算得到的异形柱轴压比超过规范规定限制，同时梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率超过《异规》表6.3.5的要求。虽然对楼板而言，采用C30混凝土是可以的，但考虑到梁板柱的施工问题，同时为满足异形柱轴压比以及梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率的要求，最终将梁板柱的混凝土强度等级全部改为C40。不过考虑到混凝土强度等级较高时楼板易开裂的问题，在楼板设计中需采取必要的抗裂措施。

（2）在设计该结构时，自动生成的柱配筋图如下（以KZ1为例），S（全截面面积）=312500mm2

As（肢端受力纵筋面积）=308mm2，As/S=0.1%，不满足《异规》6.2.5“异形柱按全截面面积计算的柱肢各肢端受力纵筋配筋率不应小于0.2%”要求。调整后该柱配筋图如下，As（肢端受力纵筋面积）=628mm2，As/S=0.2%，满足要求。因自动生成的柱配筋图，是以普通矩形框架的配筋率为基础的，程序中没有专门考虑异形柱结构的不同，需要设计人员引起重视。

图1 KZl（自动生成）

图2 KZl（调整后）

通过该结构的设计，为保证结构安全，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。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。

[1]《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）.

[2]周 艳.异形柱框架结构浅析[J].工程建设与设计，2006，1：29～30.

[3]叶 倩.异形柱结构设计探讨[J].工程设计，2006，20（2）：134～136.