浅析异形柱框架结构设计问题

　　【摘要】随着我国住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，普通的矩形框架柱会给室内装饰和家具布置带来极大的不便。如何合理地利用建筑物的有效面积，这对住宅结构设计提出了一项新的要求。本文介绍了异形柱的结构特点，探讨异形柱的结构平面布置并介绍了如何对异形柱结构的计算分析和配筋绘图，以供参考。
　　【关键字】异形柱；异形柱框架结构；设计
　　近年来，随着我国经济的飞速发展，房地产行业也蓬勃发展起来，人们的住宅面积越来越多，自然而然对住宅的平面和空间要求也越来越高，已经不满足原有露梁露住的住宅环境，所以异形柱结构这种体系就应运而生了。混凝土异形柱结构是以T形、L形、十字形的异性截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构建而构成的结构，以避免框架柱在室内凸出，少占建筑空间，改善建筑观赡，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性；同时结构墙体改革，采用保温、隔热、轻质、高效的墙体材料作为框架填充墙及内隔墙，代替传统的烧结普通砖墙，以贯彻国家关于节约能源、节约土地、利用废料、保护环境的政策。
　　一、异形柱的结构特点
　　（一）由于异形柱采用T形、L形、十字形等截面形式，所以使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异。异形柱由于多肢的存在，其剪切中心与截面形心往往是不重合的，且在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，即产生腹剪裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显。
　　（二）特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析表明，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
　　二、异形柱的结构平面布置
　　（一）在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀；结构平面布置应减小扭转效应的不利影响，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移分别不宜大于该楼层两端相应平均值的1.2倍，不应大于该楼层两端相应平均值的1.4倍；结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85；异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构均应设计成双向抗侧力结构体系。异形柱结构的框架纵横柱网轴线宜对齐拉通；异形柱肢截面厚度中线与梁及剪力墙中线宜对齐重合；异形柱结构不应用于单跨框架结构。
　　（二）柱布置时，宜规整对齐，并按“密柱小梁”的布置原则，平面节点（轴向交叉点）应尽量设柱，避免主次梁搭接，柱间距一般在3～6m之间取值（柱网尺寸不应大于6.0mX6.0m），柱应双向拉结，以形成双向刚接框架。
　　（三）对于底层大空间的异形柱框架体系，转换层下的支承柱不允许采用异形柱，应全部采用矩形柱。对底层架空层抽柱形成转换层的情况，要求楼板厚度≥150mm；上层异形柱与下层矩形框架柱面积比宜接近1；上层异形柱与下层矩形柱的重叠面积不应小于2/3.
　　（四）在结构平面布置时，有时因为建筑布局的功能和美观，只能设置“一”形柱，且仅能保证一个方向有框架梁通过，此时在另一方向应沿柱肢宽增设暗梁，来保证柱平面外的刚度与稳定，且“一”形柱的宽度不应小于300。
　　三、异形柱结构体系的计算
　　（一）2009版本的SATWE已经能够有效的计算带有混凝土异形柱的结构，SATWE在梁的刚度、荷载和截面配筋计算时，充分考虑了异形柱框架结构的特殊性。由于混凝土异形柱的柱肢较长，梁、柱在节点处的重叠部分较大，合理的力学模型简化应将重叠部分作为刚域，自重计算时不应重复计算重叠部分的混凝土重量，SATWE软件中对梁考虑了这样的力学模型简化：
　　1、梁的计算按扣除刚域后的梁长计算；
　　2、梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算；
　　3、截面设计按扣除刚域后的梁长计算；
　　4、梁端刚域的计算原则如下：
　　记梁端与柱的重叠部分长分别为Di和Dj，梁长为L（即两端节点间的距离），梁高为H，则梁两端的刚域长度分别为：
　　Dbi=Max（0，Di-H/4）
　　Dbj=Max（0，Dj-H/4）
　　扣除刚域后的梁长为：L0=L-（Dbi+Dbj）
　　（二）异形柱的配筋计算原则应按“双偏压计算”，这样其配筋计算会更准确。“单偏压计算”是将主形心内力作用效应分解到各个柱肢上再进行单偏对称配筋计算，而“双偏压计算”是将主形心内力作用效应按异形柱的全截面进行配筋，因而有角筋共用。
　　（三）抗侧力结构正交布置时，应允许在结构两个主轴分别考虑水平地震作用；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用；质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转效应。
　　四、异形柱结构的配筋及绘图
　　（一）在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设2Ф14的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。
　　（二）施工图画法
　　1、全楼柱钢筋归并；
　　2、平面柱大样画法画异形柱施工图，应注意箍筋加密与普通柱相同；柱分布筋之间设拉筋，其直径同箍筋，间距是箍筋的2倍；横向肢、竖向肢分别按计算配置一个矩形箍筋，并分别满足X、Y向计算箍筋面积的要求；c竖向筋要满足最小间距要求，采用对称配筋，一排排不下，程序自动放两排；按固定钢筋（L形角部的角筋双向共用）和分布筋（竖向架立筋@≤200）的构造要求分别配制固定钢筋和分布筋。d在核心区箍筋相交处，若无主筋时，应设竖向架立筋如T形柱内侧，架立筋为构造筋，隐含直径D=14mm。
　　五、结束语
　　总而言之，异形柱框架结构因能克服普通框架结构露梁露柱的缺点而受到广泛应用,有着较大的市场需求。异型柱框架结构的平面布置比普通矩形柱框架灵活，可以较好满足建筑功能的要求，具有良好的发展前景，结构设计人员应充分了解异型柱的受力特点，正确把握设计要点，确保工程结构安全可靠，经济合理。
　　
　　
　　参考文献
　　[1]《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）
　　[2]杨润兰孙彩霞.《异形柱与短肢剪力墙结构设计中的几个问题》，河北建筑工程学院学报2005年3月
　　[3]赵长武戴琦.《异形柱结构受力特点与设计》，辽宁建材2006年第4期
　　[4]喻云龙《异形柱框架结构设计方法分析与参数控制》，煤矿现代化2007年第1期
　　[5]《SATWE用户手册及技术条件》，中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部

《浅析异形柱框架结构设计问题》

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