异形柱结构的特点与设计思路探析异形柱结构的特点与设计思路探析 【摘 要】异形柱结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙 的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架-剪力墙结构体 系。柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在 2-4，相对于正方 形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形 柱框架剪力墙，常用的有“L”型、 “T”型、 “十”字型。 【关键词】异形柱；结构；特点；设计；思路 一、异形柱结构特点 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。而对短柱，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形破坏，也因截 面曲率 M/EI 或 cu/ 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砼协调变形和内力， 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 核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变 形能力低，脆性破坏明显； 4、特别是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，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，配箍率以及箍筋间距 S 与纵筋直径 D 的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠 的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。 二、异形柱结构适用条件 1、居住建筑； 2、抗震设防烈度为 7 度和 8 度； 3、柱网尺寸不宜大于； 4、房屋总高度的限制。 三、异形柱结构的平面布置： 1、在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平 面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。 2、结构平面布置应减小扭转效应的不利影响。在考虑 偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位 移和层间位移分别不宜大于该楼层两端相应平均值的倍， 不应大于该楼层两端相应平均值的倍。结构扭转为主的第 一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 T1 之比不应大 于。 3、异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构均应设 计成双向抗侧力结构体系。 4、异形柱结构的框架纵横柱网轴线宜对齐拉通；异形 柱肢截面厚度中线与梁及剪力墙中线宜对齐重合。 5、异形柱结构不应用于单跨框架结构。 四、异形柱结构的竖向布置： 1、结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。 2、异形柱结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，楼层侧 向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 75%，或其上相邻 三层刚度平均值的 85%。 3、楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受 剪承载力的 85%，不应小于其上一层受剪承载力的 70%。 4、异形柱框架不应采用楼层错层的设计方案。 5、异形柱不宜在楼层半层处单面设置挑梁。 五、异形柱结构构造做法： 1、异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于 4，且肢 厚不应小于 200mm，肢高不应小于 500mm。 2、框架梁截面高度 Hb 可按 L b 确定，且不应小于 400mm.梁的截面宽度 Bb 不宜小于 1/4Hb 及 200mm。 3、异形柱的混凝土强度等级不小于 C25 和不大于 C50，这是由于异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于 C25 的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等 级为 C50 以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少，还 不足以行成编制规程条文的基础，所以这次规程未列入。 4、异形柱截面上受力纵筋的位置如下图所示。试验和 模拟计算表明这些位置上的纵筋均发挥大的作用，特别是 当轴压较大时处于各肢内折角处的纵筋的作用不容忽视， 一定要作为受力筋处理。 5、异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于 400mm 六、异形柱结构设计时应注意的问题： 1、异形框架的计算 由于其截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作 用时，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，按砼设计规范计 算，特别是在框剪，框筒结构中，对 6 度及其以 下烈度区的、类场地，框架柱只承担水平风载的一小 部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用 等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在 水平力较大，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，则应对异形柱框架结构 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，宜选用带有异形柱计算功能的计算 软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式，如要用它进 行计算，要先进行等刚度等面积换算成矩形柱，进行整体 分析，得到双向内力后再进行异形柱的截面设计，其工作 量相当大，且截面设计的可靠性不高。目前，国内可直接 进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的 TAT、SATWE 程序，广东省建院的 SS、SSW 程序以及天津大 学的钢筋砼异形柱结构配筋计算程序 CRSC。这些程序均用 数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量 工程校算，能有效地满足结构安全性要求。 2、轴压比控制 对框架结构，框-剪结构，柱的延性对于耗散地震能量， 防止框架的倒塌，起着十分重 要的作用，且轴压比又是影 响砼柱延性的一个关键指标。由试验结构分析3，柱的侧 移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况 下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压 比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形柱结 构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使砼柱肢先于普通 矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属 短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低 于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。 3、配筋构造 在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是 保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点， 柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不 均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进 一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，应在肢端设 暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设 214 的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的 开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的 箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，增大其延性。异形柱 由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋 直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其 延性指标好，因而箍筋且用 8、10，其间距可比普通柱 箍筋间距小。 结语 异形柱结构具有广阔的应用前景，但其受力性能具有 自己的独特性，目前仍需要进一步研究以完善设计理论， 提高工程设计效率，便于推广运用。 参考文献： 1黄锐，抗震设防高烈度区异形柱结构设计应注意的 两个问题，建筑结构，XX。 2沈伟，住宅异形框架设计，建筑结构，XX 3李建辉，论述异形柱轻型框架的设计，福建建筑高 等专科学校学报，XX。