住宅建筑异形柱框架结构设计探讨

邓晓明

（茂名市世源建筑设计有限公司，广东 茂名 525000）

随着经济的快速发展，异形柱框架结构作为一种全新的结构形式广泛用于住宅建筑中，相对于传统的框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10%的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6 °或7 °的地区。为此，文章对异形柱框架结构设计进行探讨，以推广该技术的使用。

1 异形柱的受力性能

1.1 承载能力

异形柱不同于矩形柱，它由多肢组成，柱肢截面高度与柱肢宽度的比值一般在2.5～4，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。

1.2 变形特征

一般住宅的层高在2.8～3.1 m，异形柱肢厚在200 mm左右，异形柱为了获得足够的承载力，肢长一般不会太小，这就容易造成柱剪跨比过小，形成短柱（柱净高H/柱，肢长h＜4），以剪切变形为主，构件变形能力下降。即使存在轴压比较小的柱H/h＞4，由于异形柱属薄壁构件，也会因截面曲率M/EI或ecu/X（ecu为混凝土的极限压应变，X为截面受压区高度）较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。

2 异形柱的计算分析

2.1 计算方法

在低烈度区，且水平力作用在截面对称轴内时（如异形柱为十字形），弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按混凝土设计规范计算。而在高烈度区，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，应选用带有异形柱计算功能的软件，如中国建筑科学研究院的TAT，SATWE程序及天津大学的钢筋混凝土异形柱结构配筋计算程序CRSC等。

2.2 计算模型

由于在实际工程中所布置的竖向构件往往不全是异形柱，其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙（一般剪力墙或部分短肢剪力墙），形成异形柱框架—剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时，有的设计人员常会把异形柱按短肢剪力墙输入，有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱按短肢剪力墙输入，这就势必造成计算误差，而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁，按异形柱输入的，梁长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输人的，梁长取墙肢端点长度，两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。

3 轴压比的控制

在目前设计过的工程中，由于本地建筑主管部门的严格控制，异形柱结构的适用高度一般不高，异形柱的轴压比不会太大，一般可控制在比普通柱结构规范规定的限值小0.3的水平。另外，不同的柱截面形式，如L形、T形、十字形，在相同水平侧移下，其延性性能也有较大差异，对双向对称的十字形，轴压比限值可适当放宽，而双向均不对称的L形就应严格控制，T形次之，这与结构布置中的角柱轴力小，布置L形，边柱，布置T形，中柱轴力大，布置十字形基本吻合。

4 异形柱框架结构设计构造

4.1 材料要求

（1）混凝土的强度等级不应低于C25，且不应高于C50。

（2） 纵向受力钢筋宜选用高强的HRB400、HRB335级钢筋。

4.2 截面要求

（1）异形柱截面各肢肢高、肢厚比不应大于4，肢厚不应小于200 mm。

（2）异形柱不应采用一字形和Z字形。

（3）尽可能地避免短柱和极短柱，异形柱的剪跨比宜大于2，不应小于115，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性。

4.3 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25 mm，且不小于14 mm，纵筋间距大于250 mm时，应设置纵向构造筋，其直径可采用12 mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。

（2）柱截面厚度小于200 mm时，纵向受力钢筋每排不应多于2根；肢厚在200～250 mm时，每排钢筋不应多于3根，必要时可分两排设置，两排钢筋之间的净距离不应小于50 mm。

（3）框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为Ⅱ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Ⅲ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级、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。箍筋末端做成不小于135 °的弯钩，弯钩端头直段长度不应小于10 d（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500 mm者中的最大值。在加密区内，箍筋的直径不变，间距为100 mm。

4.4 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50 mm时，在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边大于800 mm处，且满足小于1/25坡度的条件下，向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。

（2）当框架梁截面宽度的任一侧凸出柱边不小于 50 mm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。

4.5 框架顶层柱纵向钢筋的锚固和搭接

由于异形柱柱肢宽度与梁相当，所以存在着梁筋与柱筋交接处较密集的问题。《规程》根据国家标准《混凝土结构设计规范》第11.6.7条规定并考虑异形柱的特点，顶层端节点柱外纵向钢筋沿节点外边和梁上边与梁上部纵向钢筋的搭接长度增大到1.6 Lae（1.6 la），但伸入梁内的柱外侧纵向钢筋截面面积调整为不宜少于柱外侧全部纵向钢筋截面面积的50%。在目前没有异形柱结构标准图集的情况下，设计人员应在结构设计总说明中予以注明，以免发生施工错误。

4.6 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500 mm或砌体皮数的适当倍数，用2号6钢筋与柱拉结。钢筋由柱的每边伸出，进入墙内的长度：Ⅱ级抗震时沿填充墙全长设置；Ⅲ级时不小于填充墙长的 1/5及700 mm。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5 m时，墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过4 m时，宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋混凝土水平墙梁。

5 节点核心区受剪承载力

由异形柱的截面特性，决定了梁柱节点核心区域面积较小，而梁柱纵筋交汇使得箍筋配置不可能太多。为了满足抗剪承载力的要求，只能提高混凝土的标号，但随之带来的问题是构件变脆，同时与梁板混凝土强度的协调也成问题，有时为了个别柱的需要，而使全部柱的混凝土标号提高，也造成了投资上的浪费。为了解决这一问题，我们在已建成的工程中采用了在节点核心区的柱内加竖向钢板的方法，钢板伸过节点核心区上下一定的长度锚固，按钢板与混凝土协同工作来计算分析，确定钢板的截面尺寸。

6 结束语

总之，异形柱框架结构将会更加广泛应用于住宅建筑中，结构设计人员应充分了解异型柱的受力性能，正确把握设计要点和计算分析，满足规范要求的各种构造措施，才能够确保工程结构安全可靠、经济合理。