浅析异型柱结构设计

1 、概述
    近年来，随着我国住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高。如何合理地利用建筑物的有效面积，这对住宅结构设计提出了一项新的要求。异型柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求。由于异形柱结构是采用T 形、L 形、十字形等截面的异形柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构，所以在工程设计中可根据建筑设计对建筑功能、布置的要求，在结构的不同部位，采取不同形状截面的异形柱，以避免框架柱在室内凸出、少占建筑空间、改善建筑观感，为居住建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。
    同时与其他结构体系比较，异型柱结构体系还具有以下主要优点：
   （1）由于异形柱结构是采用T 形、L 形、十字形等截面的异形柱，柱肢厚基本与填充墙等厚,框架梁宽也同墙厚，室内不凸出梁柱，便于使用又美观，同时还增加了房间的使用面积。从建筑学角度也可称其为“隐式框架”。
   （2）围护墙通常是非承重的轻质隔墙，原则上允许任意穿墙打洞，甚至拆除重砌，这使得房间布置更加灵活，能更好地实现建筑功能的要求。
   （3）由于结构构件本身特点，虽然增加了施工难度，但由于扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用。
   （4）在小高层以及高层结构设计中，对比剪力墙结构以及短肢剪力墙结构，综合考虑总体经济效益较好。
    另一方面，任何一种结构体系都存在着它的有待完善之处。
    从“强柱弱梁”的抗震概念来讲，异型柱结构体系推迟或避免脆性剪切破坏，实现延性弯曲破坏的能力较差；从施工角度来讲，异型柱结构体系梁柱节点尺寸有限，这就造成节点核心区钢筋较多较密，从而影响到柱中受力钢筋的粘结强度。以上等等就要求设计人员要深刻了解异型柱结构体系的特点，熟练掌握异型柱规程与现行结构设计规范的异同之处，并在设计工作中加以应用。
2、规范新的要求
① 房屋最大高度
   《规程》 3.1.2条:“异形柱结构适用的房屋最大高度应符合表3.1.2 的要求”。
表3.1.2    异形柱结构适用的房屋最大高度(m)

结构体系	非抗震设计	抗震设计
		6度	7度		8度
		0.05g	0.10g	0.15g	0.20g
框架结构	24	24	21	18	12
框架-剪力墙结构	45	45	40	35	28

    注：框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其适用的房屋最大高度可比框架结构适当增加；
    由上规范条文可知，小高层及高层建筑结构已经不能采用异形柱框架结构（包括带有少量剪力墙的异形柱框架结构），必须采用异形柱框架-剪力墙结构。尤为重要的是在结构平面布置中，剪力墙必须“加足”。此处的“加足”的意思是除了满足高层结构周期和位移的要求之外，还应满足剪力墙部分承受的第一振型底部地震倾覆力矩大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。
② 45°方向地震作用补充验算
  《规程》4.2.4 条： “异形柱结构的地震作用计算，应符合下列规定：
    1 一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担，7度(0.15g)及8度(0.20g)时尚应对与主轴成45^°方向进行补充验算；”
    异形柱和矩形柱具有不同的截面特征即受力特性，试验研究及理论分析表明：异形柱的双向偏压正截面承载力（作用）方向不同而有较大的差异。在L形，T形和十字形三种异形柱中，以L形柱的差异最为明显。当异形柱结构中混合使用等肢异形柱与不等肢异形柱时，则差异情况更为错综复杂，成为异形柱结构地震作用计算中不容忽视的问题。
    在结构抗震计算中，由于地震作用方向的角度划分得越多越细，各异形柱的内力相对于不同方向的变化差异就越趋于缩小，为避免庞大而繁琐的计算工作量以及提高设计效率，没有必要选取过多的角度方向，对于全部采用等肢异形柱且布置较为规则的异形柱结构，除0度，90度正交方向外，再采取45度方向附加地震作用验算，一般可以满足工程角度的要求。
③ 单跨框架结构
  《规程》3.1.4条：“2 ，抗震设计时，异形柱结构不应采用多塔、连体和错层等复杂结构形式，也不应采用单跨框架结构；”
    随着住宅产业的迅速发展以及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，中规中矩的住宅建筑平面已经不能满足人们的需要。这就给结构设计人员提出了更高的要求，在结构柱网布置时有可能会出现单跨框架。需要说明的是，平面柱网中出现单跨框架和单跨框架结构是完全不等同的两个概念。对于一个结构而言，至少只有一个结构主轴方向的单跨框架榀数超过该方向结构框架总榀数的30%时，此结构才能称得上是单跨框架结构，异形柱结构不应采用单跨框架结构并不是说结构中不能出现少量的单跨框架。
④ 框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率
  《规程》6.3.5 条：“4,抗震设计时，对二、三级抗震等级的框架梁，梁端的纵向受拉钢筋百分率不宜大于表6.3.5的规定值。”
表6.3.5    梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率

抗震等级	混凝土		C25	C30	C35	C40	C45	C50
二、三级	钢筋	HRB335	1.4	1.7	2.0	2.2	2.4	2.4
		HRB400	1.1	1.4	1.7	1.9	2.1	2.1

 对于普通矩形柱框架梁，由于梁的变形能力主要取决于梁端的塑性转动量，而梁的塑性转动量与截面混凝土受压区相对高度有关。当相对受压区高度为0.25至0.35范围时，梁的位移延性系数可到达3～4。所以计算梁端受拉钢筋时考虑梁端受压钢筋的作用，计算梁端受压区高度时宜按梁端截面实际受拉和受压钢筋面积进行计算。
 对于异形柱框架梁，在地震作用组合内力作用下，梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉，另一侧受压，对于异形柱框架梁柱节点易引起纵向钢筋在节点核心区锚固破坏。为保证梁的支座截面有足够的延性，对二、三级抗震等级的框架梁梁端的纵向受拉钢筋最大配筋率系根据单筋梁满足x≤0.35h₀的条件给出。
⑤ 异形柱结构施工的尺寸允许偏差
   由于异形柱结构截面尺寸较小，为保证结构的安全和钢筋的保护层厚度，要求截面尺寸只允许出现正偏差。这与现行的《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2002）中对于柱截面内部尺寸允许出现负偏差的要求是不同的。
⑥ 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1.6laE(1.6la)，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、结语
    异形柱结构的应用已越来越普遍，由于柱的截面形式复杂以及目前缺乏充分的震害实践依据，这就要求设计人员在结构设计中应通过安全、技术、经济和使用条件的综合分析比较，紧抓设计要点，合理的应用异形柱结构体系，以取得良好的社会和经济效益

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文章名称： 浅析异型柱结构设计

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