建筑工程中异形柱框架结构的设计探析

建筑 工程 中异形 柱框 架结构 的设 计探析梁毅南宁市建筑设计院 530022摘要 ： 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 。 文章简述了 异型柱框架结构体系的特点及设计要点 ， 并结合了具体实例 ， 探讨了异型柱框架结构在实际工程中的设计应用，以供参考。关键词： 异型柱框架结构；建筑；设计A bs t r a c t : di f f e r e nt c o l umn f r a me s t r uc t ur e t ha n t he pl a n l a yo u t o f o r di na r y r e c t a ngu l a r c o l umnf r a me f l e xi b l e , c a n s a t i s f y t he r e qui r e me n t o f bui l d i ng f un c t i o n, ha ve go o d de v e l o pme n tpr o s pe c t . T he a r t i c l e ha s s umma r i z e d t he a l i e n c o l umn f r a me s t r uc t ur e , t he c ha r a c t e r i s t i c s a ndt he de s i gn ke y po i nt s , a nd c o mbi ne s t he c o nc r e t e e xa mpl e , di s c us s e s t he di f f e r e n t c o l umnf r a me s t r uc t ur e i n t he pr a c t i c a l e ngi n e e r i ng de s i gn o f t he a ppl i c a t i o n f o r yo u r r e f e r e nc e .Ke y wo r ds : a l i e n c o l umn f r a me s t r uc t ur e ; A r c hi t e c t ur e ; de s i gn中图分类号： T U323.5 文献标识码： A 文章编号：近年来 ， 随着现代化住宅建筑的不断发展 ， 以及人们对住宅平面与空间布置要求的不断提高 ， 原来普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的限定和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布置及空间使用的效果 。 异形柱框架结构很好地解决了这个问题 。 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 ， 异形柱框架结构 受到了建筑师及广大用户的欢迎，并推广应用。一、异形柱的定义及受力特点异形 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。虽然异形柱由剪力墙演变而来 ， 但由于柱截面本身的特殊性 ， 异形柱结构的受力特点既不同于剪力墙结构 ， 也与普通框架相差很大 ， 具有自己的独特性 ： ( 1)由于异形柱截面的这种特殊性，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 ； ( 2)异形柱由于是多肢的 ，其剪切中心往往在平面范围之外 ， 受力时要靠各柱肢交点处核心砼来协调变形和内力 ， 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 ， 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 协调变形能 力低，脆性 破坏明显； ( 3)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 ， 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 必须通过合理的结构平面布置 ， 采用有效的设计计算程序和必要的构造措施来保证其强度和延性。二、异形柱框架结构的计算分析根据规范要求 ， 对于矩形柱结构 ， 当无斜向抗侧力构件时 ， 结构设计的地震作用方向一般取工程纵横轴方向 ， 即 0 和 90 ， 以此来求得地震作用下的结构内力 ， 正截面承载力两个方向分别按单偏压计算配筋 ， 其承载力基本上可以包括地震作用沿其他方向的情况 。 但对于异形柱 ， 由于截面惯性矩沿不同方向差别很大 ， 地震作用下柱受力的最不利方向不一定是 0 或 90 ， 即仅沿该两个方向计算的正截面配筋并不能完全包括地震作用沿其他方向时的情况 ， 尤其在高烈度地区体现得更显著 。 规程 强制规定 ， 7 度及 7 度以上时地震作用尚应对与主轴成 45 方向进行补充验算。异形 柱轴压比 控制和梁 柱节点 核心区受 剪承载力 计算是异 形柱结 构设计的两大特色 。 由于异形柱与矩形柱在截面特性 、 内力 、 变形及抗震性能上均有较大差异 ， 规程 专门针对异形柱结构特点制定了相应的条文规定 ， 且比其他规程要求严格 。 例如 6 度区应进行地震作用计算及结构抗震验算 ， 应进行梁柱节点核心区受剪承载力计算等 。 由于异形柱柱截面的特殊性 ， 其抗震性能较弱 ， 为满足国家抗震设防要求 ， 保证结构体系具有足够的抗震延性 ， 根据异形柱截面双向偏压柱的工作机理 ， 分析影响各种截面形状柱的截面曲率延性的主要因素 ， 通过分析框架位移延性与梁、柱构件截面曲率延性之间的相互关系及大量的电算分析 ，得到了在不同抗震等级下异形柱轴压比与匹配特征值的关系 ， 据此给出了小于普通柱 轴压比的 异形柱轴 压比限值 。此轴 压比限值 是结构体 系抗震性 能的重 要保证 ， 设计中尤其注意应使构件满足此限值 ， 特别是对一些平面不规则的结构更应严格控制。梁柱节点是异形柱结构的薄弱部位 。 由于节点的作用是将本层和上层荷载通过核心区传至下层柱中 ， 其作用力为与节点相连的梁端和柱端弯矩 、 轴力 、 剪力 、扭矩 ， 受力非常复杂 。 矩形截面柱节点由于正交方向梁对节点核心区混凝土的约束作用 ， 具有一定的受剪承载力 ， 对非抗震和三 、 四级抗震等级节点 ， 不用对节点核心区进行受剪承载力计算 ， 仅需满足抗震构造措施要求 ， 只对一 、 二级抗震等级节点核心区进行受剪承截力计算 ， 而异形柱框架节点却不同 。 由于异形柱截面的特点 ， 正交方向梁截面的宽度与柱接触面积较小且偏置 ， 对节点核心区混凝土难以达到约束。因此，必须对异形柱框架节点核心区进行受剪承载力计算 ， 无论是非地震区或地震区均应计算 。 首先限制节点核心区截面 ， 避免截面太小混凝土承受过大的斜压力 ， 导致核心区混凝土首先被破坏 ， 其次是控制节点核心区配箍面积，保证节点受剪承载力，改善节点的抗震性能。三、异形柱结构设计的一般规定（一）结构布置与 般钢筋混凝土框架结构相比 ， 异形柱框架结构在结构布置时应注意以下要点 ： 为了避免扭转带来的不利影响 ， 结构平面宜尽量对称 ， 使平面和刚度均匀 ， 两个主轴方向应协调布置 ； 如果有明显的不对称 ， 应考虑扭转对结构受力的不利影响 ； 异形框架宜双向设置 ， 框架柱应对齐 ， 框架梁应拉通 ， 避免纵横框架梁相互支撑，使结构形成空间受力并具有足够的承载能力、刚度和稳定性 ， 同时具有良好的整体性和较好的抗震性能 ； 为了避免过大的外挑和内收 ， 防止楼层刚度沿竖向的突变 ， 竖向布置应力求体型规则 、 均匀 ， 尽量避免错层 ； 受力复杂部位的异形柱，宜采用一般框架柱。（二）适用的房屋最大高度和最大高宽异形柱框架结构在 6 度 (O 05g)抗震设防烈度区 ， 房屋最大高度 24m， 高宽比不宜大于 4 ； 异形柱框架在 7 度 (0 1Og)抗震设防烈度区 ， 要求房屋高度小 于35m， 层数小于 12 曾 ， 建筑物的高宽比不宜大于 5 ； 在 8 度 (O 20g)抗震设防烈度区，房屋高度小于 25m，建筑物的高宽比不宜大于 4 。另外，柱净高与截面长边之比，即长细比宜大于 4 小于 8 。长细比小于 4(即短柱 ) ，容易发生脆性剪切破坏；长细比大于 8 ，易引起失稳破坏。（三）抗震等级抗震等级的高低 ， 体现了对抗震性能要求的严格程度 ， 它是计算和构造上保证结构延性和变形能力而采取的必要措施 。 抗震等级一般根据地区的抗震设防烈度 、 结构类型 、 结构高度来确定 。 由于异形柱框架其延性低于矩形柱框架 ， 因此其抗震等级也高于同高度的矩形柱框架结构。四、设计实例（一）工程概况某住宅楼长 46 2m， 宽 12 0m， 建筑面积 2265 2m2 ， 层高 2 9m， 最高建筑高度为 l5 2m，该工程抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0 1g，设计地震分组为第一组，场地类别 1I 类。采用异形柱框架结构，异形柱框架抗震等级为三级 。 采用 SAIWE程序分析 ， 各层间位移角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。（二）设计心得在设计该结构时 ， 最初将混凝土强度等级定为 C25， 但是计算得到的异形柱轴压比超过规范规定限制 。 为满足异形柱轴压比 ， 最终将柱的混凝土强度等级从 0 100m以下全部改为 C30。框架梁截面的选择比个别普通框架结构的稍大，以满足 混凝土异形柱结构技术规范 (JGJl492006)第 6 3 5 4 条及表 6 3 5 给出的异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。通过 该结构的 设计，该 工程结 构构造在 整个设计 过程中起 着非常 重要的作用。尤其对于异形柱结构而言，实际上是梁柱节点域的设计。结束语总之 ， 随着民用建筑的市场需求日益朝着大开间 、 大空间方向发展 ， 异形柱框架