异形柱框架结构的设计与应用

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摘要：本文阐述了异形柱框架结构与矩形拄框架结构在设计中的部分差异，并简要介绍了异形柱框架结构在SATWB软件中有关粱柱节点域的处理方法，同时将作者在设计异形柱框架结构中的学习心得与广大设计人员共同探讨。

　　关键词：异形柱框架结构；矩形柱框架结构；SATWE；节点域

　　1、前言

　　随着人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高，从而对建筑设计布局有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔己越来越不能被房屋使用者所接受，因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题，因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱。

　　在此，笔者拟与广大设计人员共同探讨一下混凝土异形柱框架结构的设计与应用。

　　2、异形柱结构的设计与应用

　　2.1异形柱及异形柱结构的定义

　　2.1.1《混凝土异形柱结构技术规程》（GJ149-2006）对异形柱的定义是：截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比（柱肢截面高度与厚度的比值）不大于4的柱。L形截面柱多用于墙的转角部位，T形和十字形截面柱多用于纵横墙交接处。

　　2.1.2所谓异形柱框轻结构即是由异形（T型、L型、十字型）柱组成框架，由轻质填充墙所形成的结构。根据建筑布置及结构受力的需要，异形柱结构中的框架柱，可全部采用异形柱，也可部分采用一般框架柱。建设部在1996年11月发布的文件中，对其特点做了如下阐述：

　　1）由T形边柱、十字形中柱、L形角柱组成的框架：

　　2）填充墙与柱壁同厚，室内不出现柱楞：

　　3）因墙体减薄与砖混结构相比，可增加使用面积8％～10％；

　　4）填充墙的墙体材料可根据当地保温隔热要求，因地制宜，就地取材。

　　2.2异形柱框架结构与矩形柱框架结构在设计中的差异

　　2.2.1对于相同烈度和结构类型的两种体系而言，异形柱结构适用的房屋最大高度有较大幅度的降低。

　　2.2.2对于相同结构类型的两种体系而言，异形柱结构弹性层间位移角限值、弹塑性层闻位移角限值更加严格一些。

　　2.2.3钢筋混凝土房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。对于相同烈度和结构类型的两种体系而言，异形柱结构抗震等级的确定方法更加严格一些，其在房屋高度的取值上降低了数值。

　　2.2.4抗震设计时，扭转不规则的异形柱结构，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的比值不应大于1.45；而矩形柱框架结构的该比值为1.50。

　　2.2.5抗震设计时，对于相同结构类型的两种体系而言，异形柱的轴压比限值均有不同幅度的降低，意味着其要求更加严格。

　　2.2.6异形柱结构的地震作用计算，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）时尚应对与主轴成方向进行补充验算。

　　2.3异形柱框架结构在SATWE中的设计与应用

　　能够有效地分析带有混凝土异形柱的结构并进行截面配筋设计，这是SATWE软件的特点之一。在梁的刚度、荷载、及截面配筋计算时，充分考虑了异形柱框架结构的特殊性。由于混凝土异形柱的柱肢较长，梁、柱在节点处的重叠部分较大，合理的力学模型简化应将重叠部分作为刚域，自重计算时不应重复计算重叠部分的混凝土重量，SATWE软件中对梁考虑了这样的力学模型简化：

　　（1）梁的计算按扣除刚域后的梁长计算：

　　（2）梁上的外荷载按梁两端节点间长度计算；

　　（3）截面设计按扣除刚域后的梁长计算；

　　（4）梁端刚域的计算原则如下：

　　记梁两端与柱的重叠部分长分别为Di和Dj，梁长为L（即两端节点问的距离），梁高为H，则梁两端的刚域的长度分别为Dbi＝Ma×（0，Di H/4）

　　Dbj＝Ma×（0，Dj—H/4）

　　扣除刚域后的梁长为：LO＝L－（Dbi＋Dbj）

　　2.4异形柱结构构造的设计心得

　　2.4.1《异规》第6.1.3条规定，异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm.当节点的非弹性变形较大时，贯穿节点的柱纵向钢筋粘结退化与滑移加剧，甚至出现沿节点区柱纵向钢筋全长粘结破坏、现象发生。为保证其粘结应力不致过大，避免上述现象出现，规定梁的高度、即节点高度不能太小。异形柱结构框架节点钢筋粘结条件可能不如普通框架节点钢筋粘结条件，故务必遵守此条规定。

　　2.4.2《异规》第6.1.3条规定，异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm.这是因为肢厚较小时，会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，故限制肢厚不应小于200mm，以保证结构的安全及施工的方便。而限制肢高一方面为了满足伸入柱内的梁纵向钢筋锚固长度，另一方面是考虑柱双向正截面承载力要求和双向受剪性能的要求。

　　2.4.3《异规》第6.3.5.1条规定，抗震设计时，对二、三级抗震等级，贯穿中柱的梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱肢截面高度hc的1/30，当混凝土的强度等级为C40及以上时可取1/25，且纵向钢筋直径不应大干25mm.矩形柱框架的框架梁纵向钢筋伸入节点后，其相对保护层一般能满足，而异形柱的c/d大部分仅为2.0左右，根据变形钢筋粘结锚固强度公式分析对比可知，后者的粘结能力约为前者的0.7.为此，规定抗震设计时，梁纵向钢筋直径不宜大于该方向柱截面高度的1/30.由于粘结锚固强度随混凝土强度的提高而提高，当采用混凝土强度等级在C40以上时，可放宽到1/25。

　　2.4.4《异规》第6.3.5.4条及表6.3.5给出了异形柱结构框架梁梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率。这比《抗规》第6.3.3条规定的梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5％要严格。这是因为，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更易引起纵向钢筋在节点核心区的锚固破坏。为保证梁支座截面有足够的延性，设计时不考虑纵向钢筋的受压作用。为此，对二、三级抗震等级的框架梁可根据单筋梁满足的条件来确定梁纵向受拉钢筋最大配筋率。以C30混凝土，HRB335钢应的混凝土强度等级和钢筋级别得出的。

　　2.4.5异形柱全部纵向受力钢筋的配筋率，抗震设计时不应大于3％。这是因为异形柱肢厚有限，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，故将纵向受力钢筋的总配筋率由对矩形柱不大于5％降为不应大于3％，以减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难。

　　3、工程算例

　　3.1工程概况某多层异形柱框架结构，共6层。地震烈度为7度（设计基本地震加速度为0.15g），框架抗震等级为三级。

　　3.2设计心得

　　3.2.1在设计该结构时，最初将混凝土强度等级定为C30，但是计算得到的异形柱轴压比超过规范规定限制，同时梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率超过《异规》表6.3.5的要求。虽然对楼板而言，采用C30混凝土是可以的，但考虑到梁板柱的施工问题，同时为满足异形柱轴压比以及梁端纵向受拉钢筋最大配筋百分率的要求，最终将梁板柱的混凝土强度等级全部改为C40。不过考虑到混凝土强度等级较高时楼板易开裂的问题，在楼板设计中采取必要的抗裂措施。

　　3.2.2从中可以看出，有Z形、W形柱，这里介绍一下这两种柱的处理方法。

　　（1）Z形柱，是由两个L形柱组成的。在PMCAD输入时按两个L形柱来输入并进行内力及配筋计算。因为Z形柱受力较大时易在中间肢劈开，劈开后（极限状态）其受力接近于两个L形柱，按两个L形柱处理较为合理。此时两个L形柱间的梁会困刚度太大而超筋，因为实际上无此梁，只是有限元计算时两柱问有联系必须有此梁，故不必管。

　　（2）W形柱，计算及配筋时是按T形柱考虑的。只是由于建筑布置的要求，此处垂直搭接至T形翼缘上的梁的梁端钢筋锚固长度，由于翼缘厚度只有200mm，不能满足要求。故在此处增加一部分混凝土，该部分按构造配筋，就是为了解决梁端钢筋锚固长度的问题。

　　通过该结构的设计，本人意识到为保证结构安全，结构构造在整个设计过程中起着非常重要的作用。尤其对于异形柱结构而言，实际上是梁柱节点域的设计。

　　总之，异形柱框架结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的柱网布置形式，正确掌握计算机分析方法加上人为分析，合理配置截面钢筋，使结构具有可靠的安全保证。