工程科学 ２科０１ １Ｏ年第１荔 期锺 异形柱框架结构设计中的相关问题分析 徐伟峰 （东莞市建筑科学研究所，广东东莞５２３１２９） 摘要结合多年工作实践，通过对多层住宅异形柱框架结构的分析和比较，阐述异形柱框架结构的使用范围、受力分析、结构布局、结构 计算、构造措施等方面，供结构设计人员参考。 关键词异形柱框架；结构设计；构造措施 中图分类号ＴＵ３７５ 文献标识码Ａ 文章编号１６７３—９６７１一（２０１０）０６１—００４８—０１ 随着人们对住宅使用功能、空间划分上的要求不断提高，要求有较 大的厅，甚至挑空跃层，房间的开间越来越大，平面布置要求灵活，传 统的砖混结构的住宅己经越来越不能满足人们的需要了，于是框架结构 被逐渐运用于多层住宅中。异形柱框架住宅以其室内不露梁柱、增大使 用空间、填充墙可采用新型轻质材料、改善建筑热能性、减轻建筑自重 使地震作用减小、节省基础投资等优点，得到了普遍推广及应用。笔者 结合工程设计中一些体会阐述如下： ２结构布局 笔者在设计中，对结构柱网进行了多次调整，反复比较了不同柱网 下异形柱的轴压比、弯矩以及异形柱配筋率的变化睛况，最终得出柱距 在４～５ｍ。时异形柱的受力状态及配筋率均较为理想。当柱网大于６ｍ时， 其轴压比很难满足限值要求且很多柱出现超筋现象。而这种柱又极易发出 胞ｌ生破坏，应是设计人员杜绝采用的。另外在同一结构单元内，柱网布置 应力求均匀，纵横向柱子应有框架梁拉结，避免扭转效应的不利影响。同 时结构的竖向刚度分布不应相差悬殊。过大的外挑和内收均会使应力集中 在较薄弱的柱肢上或其它受力构件上对主体结构产生不利影响。 ３层数及最大高度控制 尽管异形柱截面面积比同面积的矩形柱大，但因其存在截面翘曲应 力及潜在的脆性破坏特征。当建筑物高度增加时，水平剪力将随之增 加，轴压比也会同步放大。此时更易使异形柱发生脆性破坏、为保证地 震作用下，主体结构有良好的塑性变形能力，不可忽视框架主体的层数 及总高度的控制。参照“《规程》”及笔者在实际工程中的反复比较试 算，建议Ⅶ度区建筑物的层数易为９层以下，总高度不应超过３０ｍ。 ４荷载取值 除满足结构荷载规范（ＧＢＪ９—８７）对活荷载的取值外，在同等层数 和总高度的条件下，因填充墙所采用的材料不同，其恒载的取值是不 同的。当建筑的荷载越大，不但会增大梁柱截面尺寸及其配筋率，同时 也会增加地基的附加应力及建筑物的经济投入。更重要的是在地震作用 下，随着质点重量的增加，所吸收地震力也会越大，随着柱轴压比的放 大对建筑物的抗震也就愈加不利。故建议异形柱框架住宅结构中，除外 墙及分户墙外应尽可能采用厚度薄、重量轻的轻质隔墙，将恒载标准值 控制在１０ｋＮ／ｍ＝以下。 ５异形柱截面尺寸的选择 在选择异形柱截面尺寸时除应根据层数、总高、柱网、建筑功能布 局及轴压比限值外，还应使异形柱截面肢长不宜小于５００ｍ。且不应大于 ４倍肢厚（否则会使异形柱变成短肢剪力墙，使计算模型发生变化）， 肢厚不应小于２００ｒａｍ。柱净高和柱长肢之比不宜小于４且不应小于３，并 应尽量使两个方向的肢长均匀。因为两种面积相同的异形柱，当其中一 种等肢而另一种不等肢，会使计算结果差别很大。对计算机给出的文本 文件分析可以看出：异形柱的计算是对柱肢的横向和纵向分别计算的， 并取轴压比较大的为控制轴压比。当两方向肢长相差很大时，往往短肢 方向的轴压比较大并极易超过控制轴压比造成计算时超筋。而选择两个 方向肢长相对均匀的截面就可以避免这种情况发生使得计算结果更合理 更接近实际受力情况。 ６严格遵循抗震设计概念，控制周期、地震力、层问位移和顶点 位移 １异形柱的受力性能 异形柱（Ｌ、Ｔ、＋）是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种结构构 件。试验和分析表明，异形柱作为压剪构件其破坏形态有弯曲、小偏 压、粘接、高压剪以及剪压、剪拉和斜拉破坏，与其破坏形态相关的主 要因素有轴压比、柱净高与截面肢长之比、纵筋配筋率、体积配箍率。 异形柱因多柱肢的存在，其剪力中心往往与形心不重合。在受力状 态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力，使得异形柱混凝土与普通矩形压 剪构件相比更宜出现裂缝即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性变形明显， 使异形柱较普通矩形柱变形能力降低。另外，在异形柱住宅设计中，层 高大多在２＿８～３ｍ之间，对于柱肢多在６００～８００ｍｍ的异形柱来讲，不可 避免地存在短柱现象。故在水平力作用下剪切变形占有相当大的比例， 构件明显呈现脆性破坏。 框架结构中梁桥构件应有足够的延性，以保证主体结构在各种荷载 作用下具有良好的变形能力，结构设计中柱轴压比就是最为直观地 反映这一性能的指标之～。《建筑抗震设计规范》（ＧＢＪ１１－８９）规定了 钢筋混凝土柱轴压比限值。该限值主要是基于框架柱出现受拉钢筋屈服 为先导的大偏心受压破坏理论，防止小偏心受压脆性破坏，针对矩形截 面柱计算分析而得出的。而对异形柱这一限值则不适用。异形柱的延性 比普通矩性柱的延性差，其破坏时钢筋和混凝土内应力、应变的分布和 矩形柱不同。因此异形柱的轴压比限值要低于《规范》规定对矩形柱的 轴压比限值。“《规程》”根据箍筋间距与主筋直径比，箍筋直径以及 抗震等级不同，对不同截面杼ｌ生的异形柱（Ｌ、Ｔ、十）的轴压比给出了 较严格的限值。 从表１、表２可以看出，Ｌ型截面柱（在结构中通常以角柱出现）， 由于它的弯曲主轴是倾斜与柱肢的，所以当弯矩作用于柱肢方向时截面 就会产生双向弯曲，故对其提出了严格的轴压比限值。“十型柱”的受 力状态相对比较理想，故表中轴压比限值较高。以上阐述了异形柱的变 形及受力性能，现针对其特性就结构设计中应注意的问题进行讨论。 表２异形柱框架结构的抗震等级 ｌ抗震设防烈度 Ⅶ度 Ｊ Ⅷ度 房屋高度（ｍ） 抗震等级 ≤２２ Ｉ ＞２０、≤３Ｏ ｌ 三级 ｌ 二级 ｌ ≤２５ 二级 表１ Ｌ型、Ｔ型、＋型截面柱的轴压比限值 ｓ／ｄ ６ ５ ４ Ｄｖ（ｍｍ） －Ｌ型 ０．４５ Ｏ５０ Ｏ－５０ Ｏ－５５ ０．５５ Ｏ．６０ 二级抗震 Ｔ型 ０．５Ｏ ０．５５ Ｏ．５５ ０．６ｏ ０．６０ ０．６５ ＋型 ０．６ｏ Ｏ．６５ ０．６５ ０．７０ ０．７０ Ｏ．８ｏ Ｌ型 ０．５５ Ｏ．６ｏ Ｏ．６ｏ Ｏ．６５ Ｏ．６５ Ｏ．７５ 三级抗震 倒 ０．６０ Ｏ．６５ Ｏ．６５ ０．７０ ０．７０ Ｏ．８０ ＋型 Ｏ．７５ Ｏ．８０ Ｏ．８０ Ｏ．８５ Ｏ．８５ Ｏ．９ｏ ８ １０ ８ １０ ８ １０ ｓ／ｄ一箍筋同距与主筋直径一箍筋直径 （下转第６９页） 群 霸 工程科学 产生错觉，把线形看成反向线，从而产生操作错误，甚至酿成车祸。 要求，但不是所有满足规范要求的线形设计就是安全的，应该从“以人 ５）在一长平曲线内如出现纵断面反复凹凸的现象，则可能造成驾驶员 为本”的设计新理念出发采取主动预防措施，灵活地选用平纵线形指 只能看见脚下和前方而看不到中间凹凸的线形，这样容易发生事故。因 标，对安全影响较大的指标（曲线半径、纵坡、坡长、超高、视距等） 此设计时要控制曲线长度，同时在一个平曲线内的竖曲线个数不宜超过 尤其要慎重，不要刻意追求高指标，着重从线形指标的连续性、均衡陛 ３个。 方面优化公路线形设计。另外，道路平面、纵断面线形组合设计涉及面 ２实例分析 ． 广，影响因素多，是一个反复、细致、不断深化和优化的过程。因此， 在山西省高速公路道路行车安全研究中，对已建成运营的晋阳线高 在道路线形设计时，对线形的组合设计还有待于进一步的探讨和优化。 速公路来分析影响交通安全的路线线形因素。根据交通事故的车型实 际情况，根据２００８年高速公路事故汇总情况，晋阳线交通事故多发生于 ２０ｋｍ附近。表３给出了晋阳线部分路段连续性分析结果。由表２可看出， 高事故率地段，即黑点路段，运行速度协调性和连续性都较差。 如表１晋阳线Ｋ２０＋６４６ｉＫ２２＋３１３路段，平面线形为长直线与曲线组 参考文献 合，圆曲线半径为６００ｍ，路段发生２３起交通事故，即事故率为１３．８次／ ［１】于平涛，张景林，雷云波．关于公路线形及线形组合的优化设计…．北方交 ｋｍ，可知曲率变化大、大纵坡设计过长及平曲线半径偏小是交通事故发 通，２００７．２：１—２． 生的主要原因，验证了前面所提到的要点的正确性。 ［２］周诚，程建川．考虑土的性质的加权地面线法优化公路纵面线形『Ｊ１．中外公 ３结语 路，２００６，２６（３）：４－７． 为降低交通事故的发生率，首先应该从道路线形设计上注重安全设 ［３］ＪＴＧ Ｄ２０—２００６．公路路线设计规范ｆｓ】． 计。一般设计人员在线形设计时所选用的平纵线形指标很容易满足规范 【４】王秀平．高速公路线形连续性分析与评价叨．公路，２００９，５：２４５—２４８． 表２晋阳线Ｋ２０＋６４６＂－－Ｋ２２＋３１３段速度连续性分析 相邻路段运行速 运行速度与设计 事故率 是否黑 序号 桩号 方向 车型 类型 度、差是否大于 速度差是否大于 ２０ｋ（次／ｋｍ／ｈ ２０ｋｍ／ｈ ｍ） 点路段 １ ｌ（２ｏ＋６４６＿＿Ｋ２０＋９３２ 东行 大货 平曲线（半径６００ｍ） 是 是 ２ Ｋ２Ｏ＋９３２＿—Ｋ２１＋９Ｏ７ 东行 大货 纵坡段 是 是 １３．８ 是 ３ Ｋ２１＋９ ７ ‘２２＋３１３ 东行 大货 平曲线（半径６００ｍ） 是 是 （上接第４８页） 其应严格控制框架节点核心区钢筋的位置及梁柱截面核心区尺寸，注意 框架结构应严格遵循“强柱弱梁”、 “墙剪弱弯”、 “强节点强锚 混凝土振捣的密实性。 固”设计理念进行异形柱框架结构在地震作用下的内力及位移计算，可 柱配筋率Ｐ：理论上讲随着配筋率ｐ的增大，柱的承载能力也会 假定楼、屋面板在其自身平面内刚度无穷大，相应地在设计中应采用保 随之加大。故异形柱最小配筋率：角柱不应小于１％；中柱不应小于 证楼、屋面整体刚度的构造措施。除现浇框架楼柱外，尽可能采用现浇 Ｏ．９％，同时异形柱截面每一侧配筋不应小于０Ｉ２％。但配筋率过大时， 楼板保证结构的整体比，使结构变形在弹性范围内。 会使柱混凝土在外力作用先于柱中钢筋破坏因此最大配筋率不应大于 因地震作用不是恒定值，故与结构刚度有关。各柱的自身刚度增 ３％。如果保证其它条件不变，增大箍筋直径或减小箍筋间距都能提高 大，结构的整体刚度随之加大，周期位移减小，可提高结构抵抗水平 柱截面延性。因为柱箍筋不仅能防止脆性的剪切破坏，而且能约束柱核 荷载的能力，但刚度增加，结构受到地震作用亦愈大，反之当刚度很小 心混凝土减小纵筋的无支撑长度，延缓纵筋失稳，提高异形柱的极限变 时，地震作用亦较小。位移尽管也能在《规范》范围内，但这种结 形能力。在异形柱框架住宅中，柱净高于柱肢之比大多小于４，这种短 构未必合理。因刚度虽小但周期及位移却相对会大，此时主体结构并不 柱极易发生脆性破坏，可采用提高柱体积配箍率（１％）加密柱箍筋间距 安全。因此合理地选择结构刚度，既可有效地承受地震作用，使主体满 （沿柱全高加密柱箍筋）来延缓柱脆性破坏的发生。 足“三水准”的抗震设防要求，又可避免“肥梁胖柱”影响使用空间等 ８结束语 不经济合理的结构选型。 异形柱框架结构，按弹陛方法计算的楼层层间位移与层高之比ａｕ／ｈ １）采用异形柱可以增加结构的整体刚度，减小结构的侧向位移 在风载作用下不大７：１／５００，在地震作用下不宜大于１／４５０。结构顶点位移与 （异形柱因其柱肢长故较面积相同的矩形柱刚度大）提高了结构抵抗水 总高度之比在风载作用下不宜小于１／６５０，在地震作用下不宜大于 ５Ｏ。 平荷载的能力。 ２）异形柱的抗震设计时应严格控制轴压比，在面积相等的前提下 ７构造措施 按刚度等效的原则进行设计。根据计算结果适当提高柱的配筋率且适当 异形柱的设置可有效合理地利用使用空问，把建筑美学和使用的灵 减小柱箍筋的间距，保证结构具有良好的延性。 活性有机地结合起来为客户提供舒适的环境，但不可避免存在异形柱柱 ３）采用异形柱（因柱肢长）使得框架梁的计算跨度相对减小，由 肢较薄，两柱肢相差较大以及梁柱节点较薄弱等缺点。这可通过构造措 此可减小梁的高度和配筋率。 施弥补以上不足：①应采用高强混凝土；混凝土的强度越高，粘接强度 ４）异形柱框架结构中，楼板应采用现浇楼板以加强楼板与梁的联 会越大，握裹力亦愈大。②钢筋的表面形状：变形钢筋的粘接强度高于 接，保证结构的整体性，使整体结构在正常使用条件下的变形控制在弹 光圆钢筋，变形钢筋的肋高增大、肋间距减小及横肋与纵轴的倾角增大 性范围内。 可提高钢筋的粘接强度；③钢筋周围的约束条件如混凝土的保护层厚度 ５）在设计与施工中不可忽视的问题有：当异形柱截面肢宽与框架 增大，可提高外围混凝土的劈裂抗力。加密箍筋间距可延缓径向内的裂 梁宽相同时，柱内纵筋与梁中主要受力纵筋相交错，使得梁的有效宽度 缝发展，了劈裂裂缝的开展。为异形柱两肢交接处可能出现的 减小，原本可一排放置的钢筋不得不放两排，导致梁的有效高度减小梁 粘接裂缝及撕裂裂缝的发展，配筋时异形柱的纵向钢筋间距不宜大于 柱节点较弱，影响结构的塑性性能对柱网尺寸、建筑层数、建筑总高及 ２００ｒａｍ，最大不应超过２５０ｍｍ。不能满足时应设置纵向构造钢筋。④尤 荷载取值要求较高。
