异形柱结构设计要点异形柱结构设计要点 一、异形柱结构体系 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。 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/(cu 为砼的极限压应变， 为截 面受压区高度)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2 ，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、异形柱结构应按下列原则考虑地震作用： 1、抗侧力结构正交布置时，应允许在结构两个主轴方向分 别考虑水平地震作用。 2、有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于 15 度时， 应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。 3、质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计入双向水 平地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地 震作用效应的方法计入扭转影响。 六、异形柱结构应根据不同情况，分别采用下列地震作用 计算方法： 1、异形柱结构宜采用振型分解反应谱法，当质量和刚度不 对称、不均匀时应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解 反应谱法。 2、高度不超过 40m，以剪切变形为猪，且质量与刚度沿高 度分布较均匀的异形柱结构，可采用底部剪力法。 七、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 八、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。 在广东规程中，其轴压比按砼设计规范中的要求减少，但 其适用高度较低，一般为 35 m。当高层建筑的高度进一步 加大时，其水平力的影响会愈来愈显著，对结构的延性要 求也愈高。由天津大学土木系对异形柱延性资料可知，影 响异形柱延性的因素比普通柱要复杂，且不同的柱截面形 式，如 L 型、T 型、十字型，在相同水平侧移下，其延性性 能也有较大差异，因而，轴压比控制应参考天津规程。但 天津规程的控制过于繁锁，在结构计算中，柱的纵筋与箍 面的直径还没有设定，因而箍筋间距与纵筋直径的比值还 无法确定。为在实际工作中便于使用，可按不同的截面形 式与不同的抗震等级两项指标从严控制，对低烈度地区的 这类结构是能够满足其延性要求的。 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。