探析异形柱框架结构的设计要点

关键词：异形柱框架结构；设计要点；结构建模；结构计算；结果分析；结构配筋 

　　近年来，随着人们对住宅空间的灵活性和方便性要求的提高，避免框架柱在室内凸出，少占建筑空间，异形柱结构大量用于别墅和普通住宅。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撑构件而构成的结构，且柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4。由于异形柱与矩形柱二者在截面特性、内力和变形特性、抗震性能等方面的显著差异，导致在异形柱结构设计中存在一些不容忽视的问题。本文将对异形柱框架结构设计要点进行探讨。 

　　1 结构建模 

　　1.1 房屋适用高度：对混凝土异形柱结构，从结构安全和经济合理等方面综合考虑，其适用的房屋最大高度降低较多，主要用于多层结构中。异形柱框架结构适用的房屋最大高度约为普通框架结构的0.3～0.4。结构顶层采用坡屋顶时，当檐口标高附近不设楼板时，总高度可算至檐口标高处；当檐口标高附近有楼板，即带阁楼的坡屋顶时，可算至坡高的1/2处。 

　　1.2 高宽比：高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。异形柱框架结构最大高宽比比JGJ 3-2010限制有所加严。 

　　1.3 异形柱结构不应采用部分由砌体墙承重的混合结构形式，抗震设计时，不应采用多塔、连体和错层的复杂结构形式及单跨框架结构。异形柱结构的楼梯间、电梯井应根据建筑布置及结构抗侧向作用的需要，合理的布置一般框架柱或剪力墙。由于异形柱肢厚较小，为保证异形柱结构的整体安全，梁柱墙应采用现浇结构。 

　　1.4 一般情况下，7度（0.15g）及8度（0.20g）时应对于主轴成45°方向进行补充验算，对于有较多不等肢异形柱情形，适当补充其他角度方向的水平地震作用计算。同时，着重注意结构底部、角部、负荷较大及结构平面变化部位的异形柱在水平地震作用不同方向情形的内力变化，从中选出最不利数据作为设计依据。 

　　1.5 对于层间受剪承载力突变的薄弱层，JGJ 149-2006规定地震剪力乘以1.20的增大系数，较现行GB 50011-2010的1.15有所加严。 

　　2 结构计算 

　　2.1 异形柱双向偏心受压正截面承载力计算，应考虑侧移和构件挠曲引起的附加内力，按采用对初始偏心距乘以增大系数的方法考虑。现行GB 50010-2010除排架结构外，对偏心受压构件二阶效应计算已不再采用η-l0法，在进行截面设计时，其内力已经考虑了二阶效应。 

　　2.2 由于异形柱中存在轴压力，即使在采取必要的抗震构造措施后，其延性仍比框架梁偏小；加之框架柱是结构中的重要竖向承重构件，对防止结构在罕遇地震下的整体或局部倒塌起关键作用，故在抗震设计中采用“强柱弱梁”措施，人为增大柱截面的抗弯能力，以较小柱端形成塑性铰的可能。 

　　在总结2008年汶川地震震害经验的基础上，GB 50010-2010对柱抗弯能力增强措施作相应加强，即节点上、下柱端的截面内力设计值增强系数二、三、四级抗震等级分别取1.5、1.3、1.2。而JGJ 149-2006对该系数分别为1.3、1.1、1.0，故在异形柱结构设计中建议参照GB 50010-2010对异形柱抗弯能力进行增强。 

　　2.3 对于框架柱需通过设计措施防止其在达到罕遇地震对应的变形状态之前过早出现非延性的剪切破坏，即“强剪弱弯”措施。GB 50010-2010对柱抗剪能力增强措施作相应加强，即斜截面剪力设计值增强系数二、三、四级抗震等级分别取1.3、1.2、1.1。而JGJ 149-2006对该系数分别为1.2、1.1、1.0，故在异形柱结构设计中建议参照GB 50010-2010对异形柱抗剪能力进行增强。 

　　2.4 节点核心区受剪承载力计算：试验研究表明，异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节。对节点核心区进行受剪承载力计算的同时可采取梁端增设支托或水平加腋等构造措施，提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。 

　　3 结果分析 

　　3.1 位移比：为了限制结构平面布置的不规则性，避免过大的扭转效应，JGJ 149-2006控制扭转位移比不应大于1.45，比现行GB 50011-2010的1.5更为严格。 

　　3.2 轴压比：抗震设计中，限值异形柱的轴压比主要是为了保证柱的延性要求。轴压比大可能形成小偏压构件，受压区高度较少，延性减少。对于L形、T形及十字形截面双向压弯柱，截面曲率延性比与弯矩作用方向角有关，故不同的截面其轴压比限值约比矩形柱低0.1～0.25。若不等肢异形柱肢长变化幅度是500～800mm，则其轴压比限值仍可按等肢情况采用。 

　　4 结构配筋 

　　4.1 当框架梁的截面宽度与异形柱柱肢截面厚度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不小于800mm且满足坡度不大于1/25的条件下，向柱纵向钢筋内侧弯折锚入节点核心区，并设置附加箍筋和表面防裂钢筋。当梁截面宽度的任一侧凸出柱边大于50mm时，该侧梁角部的纵向受力钢筋可在柱肢纵向受力钢筋外侧锚入节点核心区，但凸出柱边尺寸不应大于75mm，同时向内锚入钢筋不应小于70%。 

　　4.2 由于异形柱的肢厚较薄，为提高异形柱的延性，二、三、四级抗震等级的箍筋最大间距比一般框架结构更加严格。 

　　5 结语 

　　相对一般框架结构，异形柱框架结构抗震性能较差，但由于其符合室内布置要求，受到房地产开发商和广大住户的欢迎。通过对异形柱框架结构受力特点的理解，正确把握异形柱框架结构的设计要点，严格按照JGJ 149-2006及相关规范、规程进行设计，是能够满足其安全适用、经济合理要求的。 

　　参考文献 

　　[1] 混凝土异形柱结构技术规程 JGJ 149-2006. 北京：中国建筑工业出版社，2006. 

　　[2] 混凝土结构设计规范 GB 50010-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010. 

　　[3] 建筑抗震设计规范 GB 50011-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010. 

　　[4] 魏利金.建筑结构施工图设计与审图常遇问题及对策. 北京：中国电力出版社，2011.