浅谈异形柱框架结构设计

关键词：异形柱；框架结构；设计 

abstract: along with our country residential building and expanding the size of housing industry modernization energetically promoting, building function is better than that of ordinary frame structure of special shaped column frame lightweight wall structure system is gradually popularized and applied. special shaped column frame structure house has good economic benefit, environmental benefit and social benefit, show good development prospect. this paper introduces the short limb shear wall with special-shaped columns, the difference between, on special-shaped column in structural design rules, design of special-shaped column frame structure construction are discussed. 

key words: special-shaped column frame structure; design; 

中图分类号：tu318 文献标识码：a文章编号： 

1 异形柱的定义 

异形柱是指柱截面区别于常用的矩形柱，而采用多个小墙肢的组合截面柱子，是由剪力墙演变而来的。柱肢截面中各肢的肢高与肢厚比不大于4，常用的有l形、t形和十字形，也有的采用z形。l形截面柱多用于墙的转角部位，而t形和十字形截面柱多用于纵横墙交接处。柱肢宽度一般使用与填充墙体相同的厚度，为200～250mm，不大于300mm。肢长较大，一般为600～800mm。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。 

2异形桩受力性能特点及轴压比控制 

（1）异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，对于偏压构件，矩形截面的受压区总是矩形，内力臂较大；而对异形柱，受压区图形通常比较复杂，可能为二边形，也可能为多边形。对于受压区呈多边形分布的截面，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过陕，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。 

（2）异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。 

（3）异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视，因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析，pkpm、gscad、tbsa等国产结构软件均可做异形柱框架结构计算。 

但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战。而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还没有完全建立起来，这就给异形柱设计带来一定的难度，必须在概念设计上予以加强。 

作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱。抗震设计中规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱。天津大学的试验研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，因此异形柱的参数控制应比框肢柱更为严格。 

从表l、表2可以看出，l型截面柱(在结构中通常以角柱出现)，由于它的弯曲主轴是倾斜与柱肢的，所以当弯矩作用于柱肢方向时截面就会产生双向弯曲，故对其提出了严格的轴压比限值。“十型柱”的受力状态相对比较理想，故表中轴压比限值较高。 

s/d箍筋间距与主筋直径一箍筋直径 

表1l型、t型、十型截面柱的轴压比限值 

 

表2异形柱框架结构的抗震等级 

3 异形柱框架结构设计构造 

3.1框架柱 

（1）柱纵筋与箍筋设置形式有“l”、“t”、“十”及双排布置等形式。在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应大于25mm，且不小于14mm。纵筋间距大于250mm时，应设置纵向构造筋，其直径可采用12mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。 

（2）柱截面厚度小于200mm时，纵向受力钢筋每排不应多于2根；肢厚在200—250mm时，每排钢筋不应多于3根，必要时可分二排设置，二排钢筋之间的净距不应小于50mm。 

（3）框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为2级时，中柱、边柱不应小于0.7％，角柱不应小于0.9％；抗震等级为3级时，中柱、边柱不应小于0.6％，角柱不应小于0.8％。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率，抗震设计时，对ⅱ、ⅲ级钢筋不宜大于3％。 

（4）框架柱应采用复合箍，严禁采用具有内折角的箍筋，箍筋必须做成封闭式。箍筋未端做成不小于135°的弯钩，弯钩端头直段长度不应小于10d(d为箍筋直径)。 

（5）箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1/6和500mm者中的最大值，在加密区内，箍筋的直径不变，间距100mm。 

3.2框架节点 

（1）框架梁的截面宽度与异形柱的肢宽相等或梁截面宽度每侧凸出柱边小于50mm时，在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边大于800mm处，且满足小于l/25坡度的条件下向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。 

（2）当框架梁的截面宽度的任一侧凸出柱边大于等于50mm时，则该侧梁角上的纵向受力钢筋可在本肢柱筋外侧伸入梁柱节点内。 

3.3柱与填充墙的连接 

（1）异形柱框架结构的填充墙应采用轻质墙体材料，并必须与框架可靠地连接。当采用砌体填充墙时，在框架与填充墙的交接处，沿高度每隔500mm或砌体皮数的适当倍数，用钢筋与柱拉接，钢筋由柱的每边伸出，进入墙内的长度：2级抗震时沿填充墙全长设置；3级时不小于填充墙长的1/5及700mm填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于m2.5。 

（2）填充墙长度大于5m时，墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过4m时，宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋砼水平墙梁。 

4 异形柱框架结构在设计时应该注意的问题 

（1）由于异形柱的柱肢较长，梁柱重叠部分较大，因此在电算时需点取“梁柱重叠部分作为刚域”选项进行计算；建议采用双向偏心受压、双向偏心受拉、正截面承载力计算。 

（2）在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用，而对于异形柱框架结构，由于侧向刚度较小，有时侧移会超过规范允许值。 

（3）因为异形柱荷载方向角具有任意性，所以在异形柱内折角处应设置同样直径的受力筋。 

（4）抗震设计时，扭转不规则的异形柱结构，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层两端弹性水平位移和层间位移的平均值的比值不应大于1.45，而矩形框架的该比值为1.5。 

（5）非抗震设计和抗震设计的异形柱结构均应对梁柱节点进行受剪承载力计算，而矩形框架柱结构只有抗震等级为一、二级框架，才要求必须进行梁柱节点受剪承载力验算。 

（6）异形柱的延性比普通矩形柱的差。轴压比、高长比(即柱净高与截面肢长之比)是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，同时避免高长比小于4(短柱)。只有保证柱具有足够大的截面尺寸，才能防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。对于高长比小于4的异形柱，箍筋应沿柱全高加密，从而减小地震作用下柱剪切脆性破坏，改善异形柱的变形能力。但是按肢长与肢宽之比定义异形柱或短肢墙很大程度是为了学术上的便利。用tat程序进行结构整体计算时，按异形柱模式可能导致结构刚度下降，应适当增加抗地震力；当按短肢剪力墙模式计算可使梁配筋偏小，应适当调整配筋。 

5 结语 

异型柱框架结构的平面布置比普通矩形柱框架灵活，可以较好地满足建筑功能的要求，具有良好的发展前景。在设计中应根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋。只有这样，其结构才能有可靠的安全保证。 

参考文献： 

[1]中华人民共和国建设部．jgjl49—2006混凝土异形柱结构技术规程[s]．2006． 

[2]中国建筑科学研究院pkpmcad工程部．satwe用户手册及技术条件[s]．2005． 

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。