陳慧敏

（新昌縣一建公司建筑設(shè)計(jì)所，浙江 新昌 312500）

1 前言

隨著房地產(chǎn)的發(fā)展，異形柱框架結(jié)構(gòu)體系被廣泛地應(yīng)用于住宅設(shè)計(jì)中.與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，由于采用了“T”形邊柱、“十”字形中柱、“L”形角柱，避免了房間邊角因采用矩形柱時(shí)所產(chǎn)生的棱角突出，從而使房間平整、布置靈活、方便，深受用戶(hù)歡迎。異型柱框架結(jié)構(gòu)體系在一定程度上滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)住宅功能的要求，它博采了框架及剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，它將是今后住宅結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向之一。異型柱框架結(jié)體系具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)柱肢厚通常采用l80mm-200mm，肢厚基本與填充墻等厚，框架梁寬也同墻厚，室內(nèi)不凸出梁柱，便于使用又美觀，同時(shí)還增加了房間的使用面積，比相同形式的磚混結(jié)構(gòu)可增加約8%～10%的使用面積；(2)圍護(hù)墻通常是非承重的輕質(zhì)隔墻，原則上允許任意穿墻打洞，甚至拆除重砌，這使得房間布置更加靈活，能更好地實(shí)現(xiàn)建筑功能的要求；(3)雖然增加了施工難度，但因擴(kuò)大了使用面積，加之自重較輕，減少了基礎(chǔ)費(fèi)用，綜合考慮總體經(jīng)濟(jì)效益較好。

2 異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定

2.1 結(jié)構(gòu)布置

與一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，異形柱框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)注意以下原則：(1)結(jié)構(gòu)平面宜盡量對(duì)稱(chēng)，使平面和剛度均勻，2個(gè)主軸方向應(yīng)協(xié)調(diào)布置，避免扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的不利影響；如果有明顯的不對(duì)稱(chēng)，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響。(2)異形框架宜雙向設(shè)置，框架柱應(yīng)對(duì)齊，框架梁應(yīng)拉通，避免縱橫框架梁相互支撐，使結(jié)構(gòu)形成空間受力并具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)具有良好的整體性和較好的抗震性能。(3)豎向布置應(yīng)力求體型規(guī)則、均勻，避免過(guò)大的外挑和內(nèi)收，防止樓層剛度沿豎向的突變，盡量避免錯(cuò)層。

2.2 適用高度、高寬比及長(zhǎng)細(xì)比限制

異形柱框架在7度抗震設(shè)防烈度區(qū)，要求房屋高度^≤35In，層數(shù)<12，建筑物的高寬比不宜大于5；8度區(qū)房屋高度不大于25m，建筑物的高寬比不宜大于4。另外，柱凈高與截面長(zhǎng)邊之比，即長(zhǎng)細(xì)比宜大于4小于8。長(zhǎng)細(xì)比小于4(即短柱)，容易發(fā)生脆性剪切破壞；長(zhǎng)細(xì)比大于8，易引起失穩(wěn)破壞。

2.3 抗震等級(jí)

異形柱框架結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、房屋高度及抗震設(shè)防烈度采用不同的抗震等級(jí)，并應(yīng)符合相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施要求。

3 異形柱的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

目前，異形柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家規(guī)范，僅有兩部地方性法規(guī)，即廣東省和天津市的標(biāo)準(zhǔn)叫可供參考。異形柱不宜套用普通柱的配筋公式，也不宜直接用剪力墻的配筋公式，一般來(lái)說(shuō)，有以下幾種計(jì)算方法。

3.1 直接計(jì)算法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的部分試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合成經(jīng)驗(yàn)公式。即按T型截面分別計(jì)算出縱向力作用x軸及y軸，考慮相應(yīng)的初始偏心距增大系數(shù)后，按僅考慮曲肘邊縱向受力鋼筋計(jì)算的偏心受壓構(gòu)件所能承載的縱向力Nx和Ny，然后以初始偏心距與截面邊長(zhǎng)的比值為參數(shù)進(jìn)行修正。

3.2 等代矩形柱計(jì)算法

3.2.1 將異形柱截面折算成慣性矩相等的矩形截面且將等代矩形柱的形心置于異形柱兩肢桿軸線(xiàn)的交點(diǎn)上。

3.2.2 將其輸入空間分析程序 (如TBSA)進(jìn)行位移和內(nèi)力計(jì)算，可簡(jiǎn)化工作量。

3.2.3 以上電算輸出的是作用在等代矩形桿形心處的組合內(nèi)力，需將其回歸到各個(gè)單肢截面的形心處。這樣每個(gè)單肢就可按其各自的組合內(nèi)力進(jìn)行正、斜截面的配筋計(jì)算。

這種用面積等效換算作抗壓抗剪分析的方法在工程中應(yīng)用較多，但用這種方法計(jì)算時(shí)應(yīng)明確的是按矩形柱計(jì)算時(shí)得出的內(nèi)力要轉(zhuǎn)換到異形柱上斷面形心的位置.然后按異形柱計(jì)算配筋；按矩形柱得出的軸壓比應(yīng)乘以矩形柱斷面面積與異形柱斷面面積之比值才是異形柱的軸壓比。

3.3 先配筋再?gòu)?fù)核法

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，在參考一些相關(guān)算例的前提下，可以先對(duì)異形柱配筋再?gòu)?fù)核截面就顯得更為簡(jiǎn)便，截面復(fù)核時(shí)可分x軸和y軸均按T型截面分別復(fù)核。

不論是哪種計(jì)算方法，都可以參與GB 50010 2002混凝上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)偏心受壓構(gòu)件的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

4 異形柱框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算和配筋要點(diǎn)

普通框架柱一般采用方形或矩形，為了使2個(gè)主軸方向的受力性能相差不大，一般要求h/n≤1.5，剪力墻肢一般要求 hw/bw>4，而異形柱作為一種新型的承受豎向力構(gòu)件，hz/b22～4介于框架柱與剪力墻之間，從而使其受力特點(diǎn)亦介于普通框架柱與剪力墻之間。異形柱內(nèi)力計(jì)算時(shí)，既不能完全按普通框架柱，亦不能照搬剪力墻肢進(jìn)行。

目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員采用由中國(guó)建筑科學(xué)研究院高層建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)部《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間分析程序TBSA》進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。由于程序是以矩形截面柱為研究對(duì)象的，而對(duì)異形柱的結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)輸入無(wú)明確規(guī)定，輸入時(shí)把異形柱用具有相同抗彎剛度的矩形柱等替換，然而由于框架柱屬于壓剪構(gòu)件，除了要求有相當(dāng)?shù)膭偠韧膺€應(yīng)有較好的抗剪能力，為保證柱子具有一定的延性，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)剪跨比、軸壓比、主筋配筋率、配箍率進(jìn)行限定，使異形柱有較好的抗震性能。

4.1 剪跨比

剪跨比是反映柱截面所受彎矩與剪力相對(duì)大小的一個(gè)參數(shù)λ=Hn/2h，是影響框架柱破壞形態(tài)的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱凈高與柱截面肢長(zhǎng)之比。由于異形柱的抗剪性能差，選擇異形柱截面時(shí)，為避免出現(xiàn)短柱，控制λ>Hn/h4，亦即 λ=Hn/2h>2。

4.2 軸壓此的限定

軸壓比是指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比。即λtN=N/Acfc。它是影響柱破壞形態(tài)和變形能力的另一個(gè)重要因素。有關(guān)研究結(jié)果表明：軸壓比對(duì)異形柱的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)普通矩形柱的影響，為保證異形柱的延性，必須嚴(yán)格控制軸壓比，柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，并應(yīng)滿(mǎn)足抗震要求，同時(shí)避免長(zhǎng)細(xì)比小于4的短柱。由于異形柱的截面積比具有相同抗彎剛度的矩形柱小，因此用矩形柱替換后計(jì)算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱。而異形柱的軸壓比的限值在規(guī)范中又無(wú)詳細(xì)規(guī)定，考慮到異形框架柱的抗扭、抗震性能較差，一般認(rèn)為，設(shè)計(jì)中應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的軸壓比限值減少0.05選用。

4.3 抗震調(diào)整系數(shù)的選取

考慮地震作用組合的異形柱，其截面承載力應(yīng)除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE。對(duì)于正截面承載能力，取γRE=0.8；對(duì)于斜截面承載力取γRE=0.85。

4.4 梁、柱配筋時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

由于梁和柱肢的寬度較小，因此，施工圖配筋時(shí)必須注意鋼筋的直徑、根數(shù)和鋼筋間的凈距應(yīng)滿(mǎn)足構(gòu)造要求，保證混凝土澆筑、振搗的可行性和合理性，否則混凝土的施工質(zhì)量難于保證，這種結(jié)構(gòu)形式也就難于推廣。當(dāng)計(jì)算配筋量確實(shí)需要增加時(shí)，建議按雙排鋼筋放置的辦法解決。

理論上，隨著配筋率p的增大，承載能力隨之增大，但一般我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，柱的配筋率宜控制在0.8% ～10% 。如果保持其它條件不變，增大箍筋直徑d或減小箍筋間距都能提高柱截面的延性和強(qiáng)度。因?yàn)楣拷畈粌H能防止脆性的剪切破壞，而且能約束棱芯混凝土，提高混凝土的極限變形能力，減小縱筋的無(wú)支撐長(zhǎng)度，延緩縱筋失穩(wěn)，所以地震區(qū)異形柱框架粱柱箍筋的配置，還必須滿(mǎn)足抗震構(gòu)造要求。

異形柱截面雙向偏心受壓時(shí)，由于沒(méi)有對(duì)稱(chēng)的中和軸，故力學(xué)分析和配筋計(jì)算較為復(fù)雜，必須借助于有關(guān)規(guī)程和計(jì)算機(jī)軟件才能進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的結(jié)果，必須嚴(yán)格認(rèn)真的核對(duì)，在安全上確認(rèn)可靠后再用到工程中去。

5 結(jié)束語(yǔ)

異形柱框架結(jié)構(gòu)有著較大的市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)其受力的特點(diǎn)，充分了解其破壞的各種機(jī)理，選用合理的結(jié)構(gòu)形式，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面配筋，其結(jié)構(gòu)才能有可靠的安全保正。

[1]朱鋼懋.異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].中華建設(shè).[2]趙騰飛.大開(kāi)間異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2008-04-10

[3]林喜斌，盧傳香.對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合分析[J].建材與裝飾(中旬刊)，2008-06-11.