浅谈异形柱结构设计
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摘要：从异形柱框架结构的自身受力特点出发，结合工程实践经验提出了异形柱在住宅结构设计中应注意的相关问题。
关键词：异形柱；框架结构；设计方法。
1.概述：
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，普通的矩形框架柱会给室内装饰和家具布置带来极大的不便。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。异形柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求，从结构受力角度来说，它博采框架加剪力墙体系之长，平立面布置近于框架结构，柱的截面形式又不拘泥于矩形，将截面积向工程轴外铺开成T形、十字形、L形等，用较少的混凝土材料，获得了较大的刚度；同时配合轻质填充墙的使用，结构重量比一般框架更轻。适中的刚度和较轻的自重，对减少地震作用很有利，是一种经济合理的抗震住宅结构体系。
2.异形柱受力特点
异形柱结构与普通框架结构相比，有如下受力方面的特点：
1）根据建筑上的需要，异形柱在房间的分隔墙交点处灵活布置，平面刚度疏散均匀，经常会有粱纵横不惯通，结构较难简化为平面结构计算；
2）立面刚度分布较均匀，异形柱与轻质砌体填充墙在弹性阶段共同工作性能良好；
3）柱采用T形，L形，十字形等截面形式，肢宽厚比在2.5~4.5之间，柱肢薄而狭长，双向压弯效应明显；
4）异形截面仅有一根对称轴或没有对称轴，对荷载的方向角敏感，抗扭刚度较差，相应地造成异形柱结构的荷载方向敏感性，且稍有不对称或偏心，抗扭能力降低较大；
5）异形截面的柱肢角部是明显的薄弱部位，尤其是梁底与柱肢交界断面的柱肢角部，应力集中严重；
6）异形柱结构的梁高宽比大，柱肢狭长，使梁柱重叠部分多，在梁端一定范围形成刚域；同时节点区较大而薄，在弹塑性阶段，应计入节点区变形对结构变形的影响；
7）异形柱结构节点的受力性能与矩形柱节点有较大区别，一方面由于梁柱薄，施工时混凝土不易振捣密实，再加上梁柱交接处应力集中和后期破坏较重，削减了节点核心区的有效体积，使节点抗剪承载力降低；另一方面，节点区破坏部位的梁端的外移，又缓解了节点的实现。
3.异形柱框架结构设计的有关问题
3.1异形柱结构的选型
异形柱结构的选型应当包括竖向承重结构的选型，水平承重结构选型和底部结构的选型三部分，但是，水平承重结构和底部结构的选型与其他混凝土结构的相同。因此，此处所指的异形柱结构的选型是指异形柱结构竖向承重结构的选型。
异形柱结构应该根据建筑的使用要求、结构高度、受力特点、抗震设防情况等选择竖向承重结构形式：
（1）对于层数不多，高度不高的多层住宅和一般性民用建筑，可以选用全部由异形柱组成的纯异形柱框架结构体系。当结构受力上有需求时，也可以在异形柱框架结构中设置一部分普通框架柱。
（2）高层和层数较多，高度较高的多层住宅和一般性民用建筑，应采用异形柱框架-剪力墙结构。
（3）当使用上要求设置底部大开间时，可采用底部抽柱带转换层的异形柱结构。
3.2 结构平面布置
异形柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施，相关规定，设计要求外，还应考虑自身的特点，注意以下几点:
1)平面布置宜对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；
2)考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接；
3)各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则，多跨的抗侧力体系。异形柱设计的目的主要是合理解决小面积房屋的使用问题，应重点布置在房屋中影响房屋使用的墙角部位，其他部位从受力合理和施工方便两个方面考虑宜采用矩形截面柱。这样兼顾了使用和经济两个方面，充分发挥了异形柱使用和受力的特点创造出每平方米面积用钢量较低的好指标。
3.3 结构分析模型
《规程》认为，异形柱柱肢截面的肢高肢厚比不大于4，与矩形柱相比，其柱肢一般相对较薄，研究表明；这样尺度比例的异形柱，其内力和变形性能具有一般杆件的特征，不满足划分为薄壁杆件的基本条件。因此在计算分析中，异形柱应按杆件系模型分析。
3.4 设计方法
1） 在PKPM系列软件中，由PMCAD模块可解决异形柱的定位和荷载导入，由TAT和SATWE模块可完成整个体系的结构计算和配筋计算，由PMCAD和PK模块实现结构施工图设计，因此，PKPM系列软件可实现对钢筋混凝土异形柱结构的输入、结构布置、计算与施工图设计。
作者通过实际工程及对一些文献的研究认为采用SATWE程序加“钢梁”单元的计算模型得出的自振周期最小，水平地震反应最大，其传力路径也最接近实际受力情况，建议设计中按此模型计算。
2）在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用，而对于异形柱框架结构，由于侧向刚度较小，有时侧移会超出规范允许值；
3）对柱的净高与柱截面长边尺寸之比小于4的异形柱，应沿柱高全高加密箍筋，以减少地震作用下柱剪切脆性破坏的危险性和改善柱的变形性能；
4）因荷载方向角的任意性，在异形柱内折角处也应设置相同直径的受力筋；
5）位于L形柱角处的纵向受力钢筋为双向作用；
6）为安全起见，对抗震等级三级及三级以上的结构，应对节点进行计算，以保证节点区的可靠性；
7）施工过程中对异形柱及其节点区应加以重视，采用骨料粒径较小的混凝土进行浇筑，以确保施工质量。
3.5 构造设计
1）柱壁厚度和砼标号的选择
参照规范及实践经验来看，柱肢的厚度最小不少于160mm，一般常用200mm比较合理。对于8层及以上框架其下面两层梁柱节点处的钢筋有时显得比较密集，因此不宜减薄。在梁跨度较大时，柱子往往显得截面不足，轴压比太大，钢筋过分密集。因此最好把一二层柱砼标号提高到C30左右，避免采用加大壁厚的方案。
2）纵向钢筋和箍筋
纵向受力钢筋选用时，数量宜少，直径宜大，一般只要不大于φ25均应选较大的直径减少根数，而每边钢筋的数量宜用2根，多则做两排配置。底层每边钢筋的数量也可以用3根，但穿出楼面的柱筋每边单排配筋还是不要多于2根为宜，否则节点施工困难。
纵向构造钢筋在柱肢宽较大时应该设置，以保证纵向钢筋间距不大于350mm的规范要求，因为异形柱的纵向构造钢筋比较多，因此其直径的选取也是影响经济技术指标的一项因素，根据我国钢筋砼设计规范和国外有关资料以及有关剪力墙的构造规定，取φ12、φ14还是比较合理的，不必选用更粗的钢筋。
箍筋的设置对抗震设防的影响很大，按我国抗震设计规范中有关规定及参考国内外有关资料，建议箍筋最小直径可以选用φ6，在加密区的间距为100mm，在非加密区的间距为200mm。
结束语
异形柱框架结构的平面布置比普通矩形柱框架灵活，可以较好满足建筑功能的要求，具有良好的发展前景，结构设计人员应充分了解，异形柱的受力特点，正确把握设计要点，确保工程结构安全可靠，经济合理。
参考文献：
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部 JGJ 149―2006 混凝土异形柱结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 严士超，康谷贻，王依群，等.混凝土异形柱结构技术规程理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3] 邵弘，等.TAT与SATWE软件的差异与合理使用[J].PKPM新天地，1999（4）
[4] 异形柱结构设计与施工/沈蒲生编著.―北京：机械工业出版社，2010.1
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