异形柱框架结构的特点与设计

杨超 张云

1 异形柱及异形柱结构的定义

JGJ 149-2006混凝土异形柱结构技术规程对异形柱的定义为:截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比(柱肢截面高度与厚度的比值)不大于4的柱，肢厚不小于180 mm。

2 异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计及实际中的区别

2.1 异形柱框架结构与矩形柱框架结构在实际应用中的区别

近几年来，人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高，从而对建筑设计布局有了新的要求。而且普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的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的布置及空间的使用。

2.2 异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计时的差异

1)对于相同烈度和结构类型的两种体系而言，异形柱结构适用的房屋最大高度有较大幅度的降低;2)对于相同结构类型的两种体系而言，异形柱结构弹性层间位移角限值、弹塑性层间位移角限值更加严格一些;3)钢筋混凝土房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。对于相同烈度和结构类型的两种体系而言，异形柱结构抗震等级的确定方法更加严格一些，其在房屋高度的取值上降低了数值;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平均值的比值不应大于1.45;而矩形柱框架结构的该比值为1.50;5)抗震设计时，对于相同结构类型的两种体系而言，异形柱的轴压比限值均有不同幅度的降低，意味着其要求更加严格。

3 异形柱框架结构受力特点

异形柱结构受力特点主要有以下几个方面:1)由于截面的这种特殊性，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)对于长柱(H/h＞4)可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对于短柱(H/h＜4)，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲型破坏，也因截面曲率 M/EI或εcu/χ(εcu为混凝土的极限压应变;χ为截面受压区高度)较小，使弯曲变形性能有限，延性较差;3)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混凝土协调变形和内力，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，也使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显;4)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[2]，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。

4 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。

5 设计实例

山东某市住宅楼长28.3 m，宽12.9 m，建筑面积1 015 m2左右，住宅4层，层高 3.0 m，最大建筑高度为15.4 m。该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为三类。采用异形柱框架结构，异形柱框架抗震等级为三级。采用SATWE程序分析，各层间位移角见图1，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。目前已竣工验收交付使用，经观察结构整体状况良好。

总之，异形柱框架结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的柱网布置形式，正确掌握计算分析方法加上人为分析，合理配置截面钢筋，使结构具有可靠的安全保障。

[1] 杨有根.异形柱框架结构理论研究与计算机辅助设计[D].长沙:湖南大学，2002:46.

[2] 郑为民.改进建筑室内环境的有效手段——“异形柱”框架[J].当代建设，2000(5):27-28.

[3] 黄雅捷.钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能及性能设计方法研究[D].西安:西安建筑科技大学，2003:16-17.

[4] JGJ 149-2006，混凝土异形柱结构技术规程[S].

[5] 徐金荣，张洪静，王普山，等.异形柱框架薄弱部位抗震设计方法探讨[J].世界地震工程，2002(2):32-33.