混凝土异形柱框架结构的设计及应用

路建民，王前林

郑州市第一建筑工程集团有限公司（450000）

混凝土异形柱框架结构已广泛应用于住宅建筑中。与传统的矩形柱框架结构相比,异形柱框架结构能更好的满足建筑使用及美观的要求。

异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，试验研究及理论分析表明:异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载(作用)方向不同而有较大差异。在L形、T形和十字形三种异形柱中，以L形柱的差异最为显著。当异形柱结构中混合使用等肢与不等肢异形柱时，则其差异更为错综复杂，这是异形柱结构地震作用计算中不容忽视的问题。

异形柱多为两肢、三肢，甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外,受力时要靠各肢交点处核心混凝土协调变形和内力分布。由弹性分析知道这种变形协调使各柱肢存在相当的翘曲正应力和剪应力。剪应力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通压剪构件出现裂缝,其次对各肢相交之核心混凝土，其单元应力呈三维剪压状态，使异形柱较普通框架柱变形能力低，脆性破坏明显。

据试验研究和理论分析知道,影响框架柱和剪力墙肢破坏形态的主要因素有:轴压比U、剪跨比λ、配筋率及构造处理。异形柱作为压剪构件，由于其肢长与肢宽之比以及肢宽等介于普通框架柱和剪力墙肢之间,说明异形柱是介于两者之间的一种“过渡性”构件。试验和分析表明异形柱作为压剪构件，其破坏形态有:弯曲破坏、小偏压破坏、粘接破坏、高压剪破坏以及剪压破坏、剪拉破坏和斜压破坏。和其破坏形态相关的主要因素是:轴压比、柱净高与截面肢长之比(即剪跨比)、纵筋配筋率等。通过必要的构造措施可以防止粘结、剪拉及斜压等脆性破坏,提高柱肢的小偏压及剪压破坏的延性。

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。为确保安全，对二、三、四等级的抗震设计,柱节点核心区以及非抗震设计的梁柱节点核心区均应进行受剪承载力计算。设计中，可采取各类有效措施，包括例如梁端增设支托或水平加腋等构造措施，以提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。对纵横向框架共同交汇的节点,可按各自方向分别进行节点核心区受剪承载力计算。

1 混凝土异形柱框架结构设计

异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计中的差异对相同地震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;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。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；异形柱结构抗震等级的确定方法更加严格,在房屋高度的取值上降低了数值。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。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。异形柱结构的地震作用计算，一般情况下,应允许在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担，7度（0.15 g）及8度（0.20 g）时还应对主轴方向进行补充验算。

1）异形柱结构的计算

异形柱结构的分析模型应符合结构的实际受力状况，异形柱结构的内力和位移分析应采用空间分析模型,可选择空间杆系模型、空间杆-薄壁杆系模型、空间杆-墙板元模型或其他组合有限元等分析模型。常用软件有PKPM-TAT、PKPMSATWE、广厦结构CAD等可用于计算分析异形柱结构。

在结构计算中可按平面内无限刚性假定计算内力和位移,并应在设计中采取构造措施保证楼板平面内的整体刚度。对楼板开洞的不规则结构,计算时宜考虑楼板平面内的刚度和变形。异形柱结构计算时应考虑非承载墙对结构刚度的影响,可采用自振周期折减的方法来计算，框架结构一般取0.6～0.75，具体根据填充墙的多少确定。鉴于异形柱结构存在45°不利的受力方向，建议结构在两个主轴方向分别计算水平地震作用的同时，考虑对主轴成45°方向进行补充计算。规范要求在 7度（0.15 g）及 8度(0.20 g)时补充 45°角计算。

无论是非抗震设计还是抗震设计,在竖向荷载、风荷载、多遇地震作用下混凝土异形柱结构的内力和变形分析，按我国现行规范体系，均采用弹性方法计算，但在截面设计时则考虑材料的弹塑性性质。在竖向荷载作用下框架梁及连梁等构件可以考虑梁端部塑性变形引起的内力重分布。异形柱的柱肢截面的肢高肢厚比限制在不大于4的范围，与矩形柱相比，其柱肢一般相对较薄，研究表明:这样尺度比例的异形柱，其内力和变形性能具有一般杆件的特征，并不满足划分为薄壁杆件的基本条件。故在计算分析中，异形柱应按杆系模型分析。按空间模型进行结构分析时，柱与梁均考虑弯曲、剪切及扭转变形。二者的差异是，柱还应考虑轴向变形；而梁一般不考虑轴向变形，仅当有必要考虑楼板平面内变形时才考虑轴向变形。

框架结构中的非承重填充墙属于非结构构件,但框架结构中非承重填充墙体的存在，会增大结构整体刚度，减小结构自振周期，从而增大结构地震作用的影响。为反映这种影响，可采用折减系数对结构的计算自振周期进行折减(具体数值采用详见 《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ 149—2006)。

2）混凝土异形柱框架的结构布置

合理的结构布置(包括平面布置及竖向布置)在非抗震设计及抗震设计中均有重要意义,结构的平面和竖向布置宜简单、规则、均匀，需要结构工程师与建筑师密切协调配合，兼顾建筑功能与结构功能的合理性。结构布置中对规则性的要求，《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149--2006)提出:异形柱结构宜采用规则的结构设计方案，抗震设计的异形柱结构应符合抗震概念设计的要求,不应采用特别不规则的结构设计方案。比现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011对一般钢筋混凝土结构的有关规定更为严格，这是根据异形柱结构抗震性能和抗震设计特点而提出的。

异形柱结构并不要求全部柱截面均为非矩形截面。在工程设计中，应根据结构的平面布置和受力特点，结合具体的建筑平面布置L形、T形和十字形等异形柱,以充分发挥异形柱在建筑使用上和结构受力上的优点,得到良好的技术经济指标。结构布置在平面和沿结构高度上刚度和质量要均匀布置,以减小结构在地震过程中的扭转影响和防止出现薄弱层。L形、T形和Z形截面异形柱的截面配筋具有明显的不对称性，试验表明就单个异形柱构件而言，其延性有较大缺陷。但是，试验和理论分析表明，由对称布置的异形柱组成的框架，由于对称的异形柱的优缺点能相互补充，具有较好的结构延性,所以结构的平面布置上组成框架的异形柱应尽可能对称。异形柱的肢厚较薄，其中心线宜与梁中心线对齐，尽量避免由于二者中心线偏移对受力带来的不利影响，平面节点处(轴线交叉点处)应尽可能设柱，避免主次梁搭接。在多层住宅中，异形柱宜布置在房间中影响使用的墙角处，其他部位从受力合理和施工方便考虑宜布置成矩形柱。

3）构件的选型

异形柱结构受力复杂，在异形柱的布置选型上，首先要根据建筑平面情况同时要考虑不同异形柱受力特点。根据天津大学土木系对异形柱延性试验资料可知,影响异形柱延性的因素比普通柱复杂，且不同的柱截面形式，如“+”、“T”、“L”、“Z”,在相同的水平位移下，其延性性能也有较大的差异。建议尽量多采用“+”、“T”、“L”形柱,不建议采用“Z”形柱，“Z”形柱截面受力存在严重的扭转效应。在柱肢长的选择上，以两个受力轴方向的刚度相同为宜。同时为了满足节点域受力要求和控制异形框架的整体抗震性能，框架梁的截面高度不宜小于400mm。

2 结语

随着建筑业的不断发展,混凝土异形柱框架结构一定会有越来越广泛的应用,只有在设计中充分了解异形柱的受力特点和其破坏机理，选用合理的结构布置，正确使用计算分析方法，其结构才会安全可靠。