建筑异形柱结构配筋设计研究

■梅神兵，李学芳 ■.天津市医药设计院，天津 300040;.天津市建筑工程职工大学，天津 300074

随着城市化建设进程的加速，城市建筑设计的发展空间越来越广阔，由于人们对建筑的功能、造型、空间分布等的严格要求，更多新型的建筑结构被提出并被应用，其中就有异形柱结构，但由于其起步较晚，无论是在受力特性还是设计计算方法上设计人员都未能有深刻的认识，所以为确保该结构在建筑中科学有效的应用，笔者就结合自身工作经验，将对其做以下分析。

1 基本设计规定及特点

通常指截面的形式与常规矩形面不同的柱结构为异形柱结构。其截面的形状分别为十字形、L 与T 形，属于截面各肢的高厚比≯4 的柱形，其肢厚与墙面厚度相同，高≮500 mm，此外，若异形柱结构各肢长度相等，还可分为两种形式即等肢和不等肢，前者适用于抗震设计中，在建筑中应用这种结构的能符合建筑物的功能及空间布置要求，其应用的前提需满足结构刚度及承载能力等。而通过对异形柱结构的分析，笔者认为其有以下特点:(1)由于异形柱肢厚和柱肢高厚不一，其不具备良好的抗扭性，当应力集中在相交处时易引起严重的翘曲变形，因此平面压力布置需简单对称，尤其是要均匀质量的分布刚度和承载力，并对齐拉通纵横向框架柱，方能有效降低地震时发生的扭转效应，此外，还可合理布置部分剪力墙或一般框架柱到薄弱部位，针对不规则异形柱结构在《混凝土异形柱结构技术规程》中还有着更严格的要求。(2)该结构肢厚度不大，与普通矩形柱相比延性不足，而影响异形柱形态破坏及延性最关键的因素是轴压比。由于异形柱形态为多肢体，通常很难重合剪力中心与截面的形心，各柱肢需同时承受正应力和剪应力，所以异形柱结构在剪应力作用下比普通矩形柱更容易发生腹剪裂缝，以至于异形柱多呈脆性，其变形能力无法高于普通矩形柱。基于此，《混凝土异形柱结构技术规程》中更严格的要求着异形柱轴压比限值，是《建筑抗震设计规范》中矩形柱要求所无法的比拟的，因此，设计异形柱结构的工程时，轴压比的控制必须严格按规程要求执行，进而减小异形柱发生裂缝等问题，实现其变形能力的最大化提高，达到抗震设计的要求。(3)由于异形柱结构截面形状不同于矩形柱截面形状，因此常在双向偏心压力下无法与弯矩作用方向垂直，更难以平行截面边缘，所以当截面尺寸、混凝土强度等级、配筋等原因影响下发生位置变化偏移的现象，也导在双向偏心压力作用下异形柱的受力性能将变得极为复杂。

2 建筑异形柱结构配筋设计

2.1 设计要点

由于和普通矩形柱不同，异形柱结构的特点更鲜明，所以比较起普通结构而言起来异形柱结构在地震设防地区差异较大，常常会受到水平荷载作用影响下如地震、风荷载等，因其不对称性的截面而陷入双向偏心受压状态，促使结构构件的承载能力大幅度降低。由此，针对这类结构的设计，设计人员在设计过程中要视其为空间体系，尤其是计算分析结构内力及位移时，选用的设计软件或程序需以自带异形柱单元的为主，不过实际设计过程中，不少设计人员长将其与异形柱建模搞混淆，但实质上这两者是无法相提并论的，其不仅存在本质性的受力状态差异，这种同等设计计算的做法更是难以确保合理性和安全性，因此设计人员在设计之初务必要特别注意这方面，进行合理规范的设计。

此外，若是设计软件、程序未提供自带异形柱单元给设计人员，可采用薄壁杆件模型处理异形柱的结构等效。就其框架而言，可采用等效折算处理异形柱结构的构件刚度，通常在利用自带异形柱单元的设计软件中计算分析出的异形柱结构结构内力、位移，可以普通框架结构做等效折算处理的数据进行代替。不过这里有极为关键的一点是，异形柱轴压比并非做等效折算后普通矩形柱框架结构中的轴压比，其主要原因在于同等刚度的异形和矩形的面柱，前者柱面面积＞后者，1.1-1.3 为两者面积的比值。在实际设计计算时，要取得正确的轴压比需扩大矩形柱与异形柱的柱面面积比值进行计算。

2.2 总配筋率取最小值

全部受力纵筋在截面内与其的比例便是总配筋率，建议异形柱总配筋率取值时，要以不断提高的肢端配筋率，和规范中矩形截面柱的有关规定为依据，并结合工程实际取最小值为佳，下图为总配筋率取值表:

2.3 配筋设计

(1)设计同一截面内的框架柱，采用相同直径但其直径在25 mm-14 mm之间的钢筋为纵向受力钢筋，同时，当间距超出250 mm必须设置纵向构造筋，纵向构造筋的直径不能低于12 mm，此外要注意拉筋设置，其间距必须是箍筋间距两倍柱截面厚度，若间距比200 mm小时每排不能设置2 根以上的纵向受力钢筋，箍筋末端的长度需大于135 mm，且要确保弯钩端头直段长度大于10al(箍筋直径al)，柱截面层间柱净高及长边尺寸的500 mm和1/6 间最大值为箍筋加密区长度。

(2)在设计框架节点过程中，当发生异形柱肢宽同等框架梁截面宽度，或是其宽度每侧凸出小于柱边50 mm时，纵向受力钢筋在梁四角上的需设置立柱边不小于800 mm的位置，若是坡度在满足小于1/25 的情况下，框架节点内需弯折伸入纵向柱筋。但其任一侧凸出不小于柱边50 mm时，纵向受力钢筋伸入梁柱节点内可直接在该侧梁角上由外侧将本肢柱筋伸入。

(3)连接填充墙和柱时，最常用到的连接技术便是以轻质墙体材料进行可靠的连接。当在于砌体填充墙连接时，其与框架的交接处必须沿高度每隔500 mm砌体进行相应倍数的钢筋与柱拉结。此外，要注意由柱每边伸出进入墙内的钢筋长度:沿填充墙全长设置Ⅱ级抗震;Ⅲ级抗震长度不能小于填充墙的长度1/5，也就是不能小于700 mm。

2.4 其他相关设计要点

由于施工场地等因素的不同，在选择钢筋等材料时也不相同，其选择需按实际情况而定，不过其多采用的还是HRB400 钢筋。而在设计梁板与柱时，其混凝土的强度等级分别为C30 和C35，与混凝土异形柱结构相关规定要求相符。为扭转其不规则结构在抗震设计时，其各项水平位移平均值比值为1.22，这里提到的位移比值指的是:楼层竖向构件最大水平及层间与该楼层两端弹性水平及层间的位移比值，由于其比值与规范规定的1.45 要求更小，因此能够实现扭转效应。此外，在设计其梁、柱截面构造时，异形柱面的肢厚设计在200 mm与300 mm之间，肢高未低过500 mm，同时框架梁面高度在设计时不能低于400 mm，所以，在设计时要确保粱面和柱面的宽度等同。

3 总结

总而言之，在当前的建筑业中异形柱结构是运用最为广泛的一种结构，其应用前景远比普通混凝土矩形柱要宽广，因此，作为建筑设计师要懂得审时度势，尽可能的与市场需求相符，深入理解异形柱结构的概念、特点及相关知识点，尤其是要严密控制影响该结构破坏的机理，并能有效得利用相关设计软件进行建模和计算结果分析，才能确保设计达到美观实用安全。

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