异形柱框架结构的设计策略

　　随着社会经济建设的不断发展与进步，人们对于现代建筑的要求不断在提高。除了要求有大空间和空间布局有灵活性之外，在造型上也要求时尚新颖，而异形柱框架结构则能很好的满足业主的要求。异形柱框架结构与普通的框架结构对比，其无论是在受力的结构特性上，还是在计算和设计上都具有其特殊性，而且安全性好，观赏性佳，使得异形柱框架结构逐渐在现代建筑中被广泛应用开来。在进行异形柱框架结构的设计时，为了保证其经济实用性和安全性，设计人员应该掌握好异形柱框架结构的受力特点、构造措施以及设计方法，以保证异形柱框架结构的工程质量。

　　1 应用优势

　　异形柱框架结构主要是通过十字形、T 形以及 L 形的截面柱来代替普通的框架柱，以作为竖向构件形成的混凝土框架。异形柱框架结构柱截面的肢高与肢厚比通常在 4 以下，现今大量用于别墅和多层住宅。

　　以往的多层住宅一般采用砖混结构，其砖墙承重，一般开间较小，结构布置不够灵活。如采用普通框架结构，虽能满足住宅空间的灵活性要求，但框架柱在室内凸出墙面，影响美观。异形柱框架结构的柱肢与填充墙等厚，既有传统框架结构灵活布置的有点，又没有室内柱头凸出的美观问题。同时，异形柱框架结构的内隔墙和填充墙主要选择轻质、保温以及隔热的材料，以替代传统砖墙，这种材料的选择贯彻落实了国家的节能环保的政策。

　　《混凝土异形柱结构技术规程》（ JGJ149 - 2006） （ 后文简称《规程》） 规定的异形柱柱肢厚度为 200 ~ 300mm,肢高不应小于 500mm.现今实际工程中填充墙厚度一般为 200mm,因此异形柱的柱肢厚度一般为 200mm,肢高为 500mm ~800mm.框架梁也与填充墙等厚，一般也为 200mm 宽。

　　2 异形柱框架结构与矩形柱框架结构的差异

　　与普通矩形柱对比，异形柱框架结构的柱截面里，形心和剪心间位置有偏差，在外荷载的情况下，各肢的截面会存在较大的正应力和剪应力，由于剪应力会使得各肢混凝土发生开裂，出现腹剪斜裂缝。 从而降低柱延性。因此异形柱框架结构的抗震性能比普通框架结构差，异形柱框架结构的各抗震措施及构造措施应该比矩形柱框架结构要求严格。

　　根据《规程》1. 0. 2,异形柱框架结构主要适用于非抗震设计和抗震等级为 6 度 ~8 度（ 0. 20g） 抗震设计的一般居住建筑，可见异形柱框架结构不适用于高烈度区建筑或公共建筑，其适用范围不如矩形柱框架结构广。根据《规程》表 3. 1. 2,无剪力墙的异形柱框架结构禁止应用在高层建筑中，其结构所适用的最大高度为普通框架结构的约 0. 3 ~0. 42 倍左右，要求相当严。

　　根据《规程》3. 2. 5 条，异形柱结构楼层承载力突变时，薄弱层的地震剪力增大系数为 1. 2,大于普通框架结构的增大系数。此外，异形柱框架结构的不规则扭转位移比限值和楼层位移角限值都比普通框架结构要严。

　　根据《规程》表 6. 2. 2,异形柱的轴压比限值按截面形式和抗震等级不同，但均小于相同抗震等级的矩形柱限值，要求更严。表中无 Z形、一字形柱的轴压比限值，笔者建议： Z 形柱的轴压比限值按 L 形柱，一字形柱的轴压比限值按相同抗震等级的 L 形柱的限值减0. 05.一字形柱因弱轴方向抗弯能力较弱，因尽量避免布置，当实际工程中必需采用时，应采用更严的轴压比限值。

　　根据《规程》4. 2. 4 条，7 度（ 0. 15g） 和 8 度（ 0. 20g） 的时候，应该补充验算与主轴成 45°的方向抗震情况，如果建筑有较多的异形柱（ 不等肢） 结构，则应该适当补充计算不同角度的地震作用，同时，还应该注意异形柱框架结构的底部、荷载较大处、结构变化部和角部的地震作用以及不同方向的内力变化，然后在里面选择出不利数据以作为异形柱框架结构的设计依据。

　　3 设计方案

　　异形柱框架结构在设计方法及构造措施上与矩形柱框架有一定不同，笔者结合以往实际工程经验，总结了以下几点异形柱框架结构设计注意事项。

　　由于异形柱本身柱肢比较长，梁和柱在节点上的重合部分大，因此设计人员应该简化力学模型，将梁和柱的重合部分设置成刚域，在进行自重的计算时应该将重合部分混凝土的重量除去，梁截面设计时按扣除刚域的梁长计算。

　　因实际工程中异形柱的柱肢厚度一般为 200mm,当框架梁与异形柱柱肢垂直相交时，很难保证梁柱节点固接。在实际工程中，应尽量避免框架梁与异形柱柱肢的面外弱连接，如必须使用时，计算模型中应梁端人为设置成铰接，梁底的局部柱肢应加强配筋，形成暗柱。梁钢筋弯折前水平段锚固长度抗震设计时不应小于 0. 4laE,当框架梁与异形柱柱肢垂直相交时，框架梁的纵向钢筋一般只能采用 12mm 的规格。

　　异形柱钢筋同一截面内宜采用相同直径，直径不应小于 14mm,且不大于 25mm.抗震设计时柱截面的最大配筋率不应大于 3%,其纵筋最小配筋率及箍筋最小配箍特征值、箍筋最大间距的构造要求均比矩形框架柱的要求更严。此外，为保证异形柱框架结构的梁柱节点延性，《规程》表 6. 3. 5 严格规定了框架梁的最大配筋率，较矩形柱框架结构严格许多。

　　此外，2010 版的抗规和砼规在总结 2008 年汶川地震震害经验的基础上，对框架结构的强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件措施做相应加强。《规程》于 2006 年编制，参照了 2002 版砼规，其中的柱弯矩调整系数、核心区剪力增大系数均小于 2010 版的抗规和砼规，计算时应按2010 版的抗规和砼规取值。

　　4 注意问题

　　在进行异形柱框架结构的设计时，设计人员应该注意以下问题：

　　（ 1） 在矩形柱多层框架中，其侧移通常不会起到控制作用，但是在异形柱框架结构设计时，一般侧向刚度比较小且楼层层间位移角限值为 1/600,结构侧移常常会超出此限值。（ 2） 由于异形柱的荷载方向通常存在任意性，因此在柱的各折角处，应该设置有同样直径、作为限制箍筋的受力筋。（ 3） 在进行异形柱框架结构抗震设计时，设计人员应该尽可能地避免扭转不规则结构，竖向构件最大位移、层间位移和楼层两端的弹性位移、层间位移平均值的比应该小于 1. 45,矩形框架结构的比值应该是 1. 5.（ 4） 无论是进行抗震设计还是非抗震的设计，设计人员皆应该计算异形柱框架结构梁柱节点的受剪承载力，而对于矩形的框架结构，只有要求其抗震等级是一、二、三级时才需要计算梁柱节点的受剪承载力。（ 5） 由于异形柱框架结构比普通框架结构的延性差，而高长比和轴压比为影响异形柱延性、破坏形态的因素，因此设计人员在进行异形柱框架结构异形柱延性保护措施设计时，应该严格控制结构的轴压比，保证柱肢的高厚比小于4,这样才能避免小偏压破坏的出现，保证其延性，满足工程的抗震要求。当小部分柱肢因工程需要 高厚比略大于 4 时，为了提高柱剪的防切脆性破坏能力，提高异形柱变形能力，应该使用箍筋沿着柱全高加密。

　　5 结束语

　　虽然异形柱框架结构与普通的框架结构相比，其抗震性较差，安全性不如普通框架结构好，但是其能满足业主的设计需求，因此十分受欢迎，在现代建筑中具有较为广阔的发展前景。因此异形柱框架结构的设计人员应该积极顺应市场需求，基于异形柱框架结构自身受力特点和破坏机理，合理的利用计算机软件来构建出异形柱框架结构模型，从而进行科学计算，客观分析计算结构，重视设计时应注意的问题，在必要时采取适当的构造措施，保证异形柱框架结构的设计结构安全、实用和美观，以保证异形柱框架结构的质量，推动其应用发展。

　　参考文献

　　[1]JGJ149 -2006 混凝土异形柱结构技术规程[S]. 中国建筑工业出版社，2006.

　　[2]J10208 -2002 钢筋混凝土异型柱技术规程[S]. 上海市建设和管理委员会，2002.