异形柱框架结构优化设计

李 航 戴素娟 彭 伟

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)



异形柱框架结构优化设计

李 航 戴素娟 彭 伟

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

通过对相关规范进行分析，提出了异形柱框架结构优化设计的内容及异形柱正截面承载力的简化计算方法，便于工程设计应用，为异形柱框架结构的构造设计提供了理论依据，解决了各地规范取值不统一的问题。

异形柱，框架结构，结构设计优化，正截面承载力

随着人们对建筑结构审美意识的逐渐增强，传统矩形柱框架结构已难以满足人们对室内装饰和家居布置的要求。异形柱框架结构展现出优于普通框架结构的建筑性能，增大并合理地利用了房间的有效使用面积，节省混凝土用量。然而，异形柱框架结构还存在着许多缺陷，一些国家相关的规范和标准还不完善。因此，本文通过对比各地相关规范及有关资料，对异形柱框架结构的构造设计及异形柱正截面承载力的计算作了相关优化，对指导工程实践具有重要的意义。

1 异形柱框架结构优化设计

异形柱框架结构设计优化主要包括确定梁柱截面尺寸、确定异形柱的轴压比和配筋值以及对异形柱正截面承载力的设计进行简化。异形柱框架结构设计应在刚度等效原则和面积及惯性矩等量的原则下进行，这样才能得到更为准确的结构内力与变形以及结构的配筋。对于异形柱结构的配筋，一般可以采用直接计算法、等代矩形计算法、先配筋再复核法，但不能按普通柱或剪力墙的配筋公式。

1.1 确定梁柱截面尺寸

抗震设计与非抗震设计下结构的梁高分别不应小于400 mm和350 mm。这是为了避免因梁高过小而使柱纵向钢筋在节点核心区内锚固失效。而异形柱截面的肢厚宜取200 mm～300 mm，肢长取600 mm～800 mm。异形柱截面各肢的肢高与肢厚的比值宜取2.5～4，若柱肢高厚比大于4，则肢高最小取500 mm。

1.2 确定异形柱轴压比和配筋值

轴压比是影响混凝土柱延性的重要指标，而柱子的延性又对结构抗震起着十分重要的作用。因此在进行结构设计时要十分重视对异形框架柱的轴压比的控制。表1为剪跨比大于2且箍筋约束较强时不同截面形状的异形柱的轴压比。

表1 不同截面形状异形柱的轴压比

在进行异形柱配筋时，笔者认为，应遵循下列要求：1)同一截面内尽可能使纵向受力钢筋的直径相同，钢筋直径宜取14 mm～25 mm；2)异形柱的内折角位置须设纵向受力钢筋；3)纵向钢筋间距：二、三级抗震下的间距最大值为200 mm；四级不宜大于250 mm；非抗震设计不宜大于300 mm。若不符合以上要求，则应配置拉筋以及直径大于12 mm的纵向构造钢筋；4)考虑异形框架柱全部纵向受力钢筋总配筋时的最小配筋率要求如表2所示。

1.3 双偏心受压异形柱正截面承载力简化设计

表2 全部纵向受力钢筋最小总配筋率 %

建立如图1所示坐标系，将异形柱截面置于第一象限。A—A为中和轴，R为坐标原点至中和轴的距离，θ为中和轴的法线与X轴的夹角，x,y分别为截面两个方向的形心轴。

截面中和轴方程：

(1)

任意一点的应变方程：

(2)

其中,c为混凝土原点的应变，当受压时c为正值。

首先假设R和θ的值，将R和θ代入式(2)求出异形柱中任意一点的应变，然后由钢筋和混凝土的σ—ε关系，求得钢筋和混凝土的应力σsj和σcj，最后由式(3)～式(5)求出截面的内力。

(3)

(4)

(5)

其中,Mx，My分别为对x，y两个方向截面形心轴的弯矩；N为轴向力；nc，ns分别为混凝土及钢筋单元总数；Aci，Asj分别为第i个混凝土单元和第j个钢筋单元的面积；σci，σsj分别为第i个混凝土单元和第j个钢筋单元的应力；X0，Y0均为截面形心坐标；Xci，Yci均为第i个混凝土单元在X-Y坐标系下的形心坐标；Xsj，Ysj均为第j个钢筋单元在X-Y坐标系下的形心坐标。

将求出的截面内力N，Mx，My与设计值比较，若满足要求，则不再进行计算。若不满足要求，则调整R，θ以及钢筋的直径。

2 工程实例分析

表3 异形柱肢长和肢厚的规范取值与实际取值对比 mm

本工程为6层异形柱框架结构住宅楼，建筑总高18.3 m，宽11.5 m，首层结构 层高为3.9 m，2层～6层为2.9 m，该住宅楼建于Ⅱ类场地上，7度抗震设防， 抗震等级为三级，基本风压及雪压分别为0.35 kN/m2和0.6 kN/m2。

柱网尺寸小于5 m，除必要位置外，均设置成矩形柱。因结构一、二层柱的轴力较大，因此采用C30混凝土，其余各层采用C25混凝土。异形柱肢长与肢厚的规范取值与实际取值对比见表3。通过SATWE计算得到该异形柱框架结构的最大轴压比为0.6，最大层间位移角为1/1 239，均满足要求。

3 结语

异形柱结构越来越广泛地应用于民用建筑中，但异形柱结构在受力上存在一些缺陷，国家相关的规范或标准也不完善。我们应注重对结构方案的设计，整体布置和结构构件的布置应力求合理，根据实际情况选择结构计算模型并合理选取参数进行结构计算。对计算结果应进行全面系统的分析，力求从整体上判断所设计结构的合理性。

[1]JGJ 149—2006,混凝土异形柱结构技术规程.

[2]周 艳.异型柱框架结构设计浅析.工程建设与设计，2006(1):29-30.

[3]叶 倩.异型柱结构设计探讨.工程设计，2006，20(2):134-136.

Structural optimization design of frame structure with special-shaped column

Li Hang Dai Sujuan Peng Wei

(CollegeofCivilEngineeringandBuilding,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

Through analyzing relevant norms, the paper puts forward simplified calculation method of cross-section bearing capacity with special-shaped column and its optimization design contents, so as to be some help for engineering design, which has provided theoretical basis for special-shaped column frame structure and achieved unified value in all regions.

special-shaped column, frame structure, structural design optimization, cross-section bearing capacity

1009-6825(2015)18-0034-02

2015-04-16

李 航(1989- ),男，在读硕士； 戴素娟(1963- ),女，教授； 彭 伟(1988- ),男，在读硕士

TU318

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