浅谈异形柱框架结构设计

浅谈异形柱框架结构设计

摘要:对异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计中的区别进行了分析，就异形柱框架结构设计的一些疑难问题，如异形柱的一般规定、纵筋箍筋的构造要求等进行探讨，并提出建议，与同行交流讨论。

关键词:多层建筑；异形柱框架结构；结构设计

Abstract: the structure and framework of special-shaped columns rectangular column frame structure design of the difference in the analysis framework of special-shaped columns of the structure design some difficult problems, such as the general rule of special-shaped columns, longitudinal reinforcement stirrup structure requirement analysis, and puts forward some Suggestions, and peer discussion.

Keywords: multi-storey building; Unusual column frame structure; Structure design

中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：

0前言

近几年来,人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高，从而对建筑设计布局有了新的要求。而且普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔已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。异形柱框架结构是一种全新的结构体系。异形柱框架结构与传统的框架结构体系相比，由于肢厚与填充墙基本等厚,解决了普通矩形柱框架结构在房间内露柱造成的使用上不便的问题，使用面积相应增加了许多，同时解决了砖混结构超高和大开间要求存在的技术问题,因此该结构受到了建筑师及广大用户的欢迎，并推广应用。

1异形柱结构特点

1.1关于“一”形截面柱及“Z”形截面柱

在《规范》中未采用“一”形截面柱及“Z”形截面柱。“一”形柱正截面承载力方面两主轴方向抗弯能力相差甚大，不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是受到两个方向的弯矩同时作用，其受力后果可想而知；同时“一”形柱在双向剪力作用下性能也不好，由《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)柱双向受剪承载力计算公式可知，柱截面相邻两边边长相差越多,

其斜向受剪承载力越低。如沿“一”形柱短边方向有梁与其相连，则此梁柱节点的核心区面积只有柱厚乘梁宽这一小部分,显然承受不了它受到的节点剪力。“Z”形截面柱与“一”形截面柱类似，即两主轴方向抗弯能力相差甚大。

在工程设计中应避免采用“一”字形截面柱，可采用部分普通矩形截面柱代替。而对于工程中经常遇到需要做“Z”形柱的情况，在设计计算时较好的方法是在PMCAD输入时将其按两个“L”形柱来输入并进行内力及配筋计算。因为“Z”形柱受力较大时易在中间肢劈开，劈开后（极限状态）其受力接近于两个“L”形柱，按两个“L”形柱处理较为合理。

1.2关于异形柱各肢肢长

异形柱各肢肢长，可能相等，或不相等，但是提倡采用等肢异形柱。抗震设计时宜采用等肢异形柱，当不得不采用不等肢异形柱时,柱两肢的肢高比不宜超过1.6,大于50 mm。试验表明，异形柱的斜向受剪承载力较单肢轴向受剪高。天津大学较早进行的等肢“L”形、“T”形截面柱在单调荷载和低周反复荷载作用的试验表明,异形柱的受剪承载力随荷载作用方向而变化并呈梅花瓣形规律,从而得出异形柱截面柱抵御斜向受剪破坏的能力优于矩形截面柱的重要结论。为编制江苏省地方标准(DB32/512-2002)东南大学进行的肢高不等的试件双向受剪试验表明,当异形截面柱两肢肢高相近时，其受剪承载力亦大致服从梅花瓣形规律，但当两肢肢高相差较大时，则服从椭圆规律。因此，具有一定的翼缘也是保证异形柱抵御斜向受剪破坏能力的需要。

1.2关于异形柱截面的肢高肢厚比

在《规范》中指出异形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4。研究表明，即使是同一种异型截面柱，当柱截面肢高肢厚比不同时，柱的性能会出现不同的差异，若异形柱截面各肢的肢高肢厚比控制在不大于4的范围,则异形柱在偏心受压状态下的应变基本符合平截面假定,其力学性能符合柱的特性。需要指出的是，当截面肢高肢厚比在4~8范围时，根据现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的有关规定，此时应划分为短肢剪力墙进行设计。

2异形柱设计

2.1纵筋构造要求

2.1.1纵筋的布置

对“L”形、“T”形和“十”字形截面双向偏心受压柱截面上的应变及应力分析表明：在不同的弯矩作用方向角时，截面任一肢端部的钢筋均可能受力最大,为适应弯矩作用方向角的任意性，纵向受力钢筋宜采用相同直径;当轴压比较大，受压破坏时，在诸多弯矩作用方向角情形，内折角处钢筋的压应变可达到甚至超过屈服应变，受力也很大，同时还考虑此处应力集中的不利影响,所以内折角处也应设置相同直径的纵向受力钢筋。

异形柱肢厚有限,当纵向受力钢筋直径太大（d>25 mm），会造成粘结强度不足及节点核心区钢筋的设置的困难。当纵向受力钢筋直径太小时（d<14 mm），在相同的箍筋间距s下，由于s/d增大，使柱延性下降，因此也不宜采用。

2.1.2纵筋的配筋率

异形柱肢端的配筋百分率按异形柱全截面面积计算。异形柱肢厚有限，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，因此将纵向受力钢筋的总配筋率由对矩形柱不大于5%降为不应大于4%（非抗震设计）和3%（抗震设计），以减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难。

2.2箍筋合理配置

异形柱柱端箍筋加密区的箍筋除应满足受剪承载力计算要求外,尚应满足体积配箍率条件以及根据异形柱本身特性确定的构造要求。

2.2.1箍筋间距与纵筋直径之比s/d对纵筋压曲的影响研究表明，箍筋间距与纵筋直径之比s/d，是异形柱纵向受压钢筋压曲的直接影响因素，s/d大，会加速受压纵筋的压曲；反之，则可延缓纵筋的压曲，从而提高异形柱截面的延性。

2.2.2箍筋间距s、纵筋直径d及体积配箍率ρV的合理调配在箍筋合理配置的研究中发现，当体积配箍率ρV相同时，采用较小的箍筋直径d和箍筋间距s比采用较大的箍筋直径d和箍筋间距s的延性好；只增大箍筋直径来提高体积配箍率而不减小箍筋间距并不一定能提高异形柱的延性，只有在箍筋间距s对受压纵筋支撑长度达到一定要求时，增大体积配箍率ρV，才能达到提高延性的目的。

2.3梁柱节点

节点是框架的梁柱相交区,需要承受上层柱柱端及本层梁梁端传来的荷载并有效地传递到下柱中去。从而作用于节点区的边界力-外力是梁端和柱端的弯矩、剪力、轴力有时甚至还有扭矩。因此，节点核心区处于十分复杂的受力状态。而对于异形柱框架梁柱节点，则尚有另一正交外伸柱肢对核心区受剪作用的影响，更为错综复杂。

试验研究和计算分析表明,节点是异形柱框架的薄弱环节,其受剪承载力远低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点。为确保安全，《规范》中要求，异形柱框架应进行梁柱节点核心区受剪承载力计算,同时应满足相应的构造规定。《规范》中对于节点核心区的箍筋最大间距和最小直径以及节点核心区配箍特征值和体积配箍率最小值的规定,是从构造上保证在竖向荷载、风荷载和地震作用下，对节点核心区混凝土提供必要的约束并具有基本的抗剪能力。

研究表明，梁端和柱端的弯矩、剪力、轴力、扭矩是通过钢筋受拉及受

压传递到节点区的,通过混凝土受压的力的传递，较易实现，但通过钢筋受拉及受压的力的传递，则必须依赖梁柱的纵向受力钢筋的可靠锚固和粘结才能实现。因此保证梁柱纵向受力钢筋在节点核心区中的可靠锚固和粘结十分重要。

3工程实例

某市住宅楼长28.3 m，宽12.9 m，建筑面积1 015 m2左右，住宅4层，层高3.0 m，最大建筑高度为15.4 m。该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组,场地类别为三类。采用异形柱框架结构，异形柱框架抗震等级为三级。采用SATWE程序分析，各层间位移角见图1，满足规范对层间位移的规定;同时重视抗震

概念设计，加强构造措施。目前已竣工验收交付使用，经观察结构整体状况良好。

地震作用下X方向最大层间移位角为1/2 111

X方向最大层间移位角曲线

地震作用下Y方向最大层间移位角为1/1 581

b)Y方向最大层间移位角曲线

图1屋间位移角曲线

4结语

异形柱框架结构楼板在框架整体协同工作中起到的作用较矩形柱框架结构强，故建议采用整体现浇楼面结构，在楼梯间及开较大洞口部位设置矩形柱,角柱为异形柱时角柱边楼板不宜开洞。对结构薄弱部位的楼板还应加厚并配置双层钢筋。

由于异形柱框架结构的角柱多为“L”形柱，在单向地震作用下，角柱受到双向水平力的作用，由此产生的剪应力还伴随较明显的附加扭转作用。而“L”形柱的附加扭矩相对“T”形及”十”字形柱明显，故在实际工程设计中对异形柱特别是角柱仅考虑其受剪力作用是偏于不安全的。有限元分析表明其内折角还伴有明显的应力集中现象。故在设计中应适当加强其抗剪及抗扭承载力。

参考文献:

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[2]杨纪红.有抗震要求的多层住宅异形柱框架结构设计及优化措施分析探讨[J].中外建筑,2010,(04).

[3]潘鹏,李宏,张勇.异形柱设计小结[J].陕西建筑,2009,(01).

[4]梁启雄,刘细林.异形柱结构体系抗震性能初探[J].茂名学院学报,2010,(01).

[5]混凝土异形柱结构技术规程，JGJ149-2006[S]

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。