探析异形柱结构设计中存在的若干问题

探析异形柱结构设计中存在的若干问题

分析了异形柱结构体系发展的背景，介绍了异形柱结构体系的特点，结合工程实践经验提出了异形柱结构设计中应注意的相关问题，可供工程设计人员借鉴和参考。

标签：异形柱；异形柱结构；倾覆力矩；单跨框架；刚域

引 言

异形柱结构是一种由竖向支承构件而构成的结构，通常采用截面为L形、T形以及十字形的异形柱代替一般框架柱。在工程项目设计中，可以依据建筑设计对建筑布置以及建筑功能的要求，在不同的结构部位，选用截面形状不同的异形柱，从而避免框架柱在室内空间凸出、占用建筑空间，继而改善建筑观瞻，为居住建筑的设计及使用功能带来灵活性和方便性。

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.异形柱框架结构体系在一定程度上满足了上述要求，工程实践表明效果良好。

1 异形柱结构体系发展的背景

一般混凝土矩形柱结构体系与异形柱结构体系之间既相互矛盾又存在共性。因为异形柱和矩形柱两者在抗震性能、变形特性和内力、截面特性等方面存在着显著的差异，所以在异形柱结构设计与施工中存在着一系列尚未解决的问题，目前，我国法律法规、施工规程中尚反映这些问题。

由于异形柱结构自身拥有很多优点，在世界各地广泛的推广与应用，这就迫切需要建立健全一个完善的異形柱结构行业规范与行业标准，指导并监督异形柱结构的设计、施工、竣工验收以及工程审查等。

近年来，对于异形柱结构的工程应用、构造措施、设计方法及基本性能等方面，国内的各设计、研究单位以及高等院校已经投入了大量的人力物力，进行了大量的工程实践与科学研究，包括：异形柱的斜截面、正截面、梁柱节点的试验以及理论研究、异形柱结构模型的地震作用模拟试验研究、异形柱结构的抗震性能研究、异形柱结构的专业设计软件研究以及异形柱结构的设计标准研究等。

同时，有些省市制订并实行了异形柱结构地方性标准，一些国家级的住宅示范小区中也有建造异形柱结构的住宅建筑，我国异形柱结构的研究不断深入，异形柱的设计与施工方法不断完善。

为了国家技术经济政策能够贯穿应用于在凝土异形柱结构设计与施工中当中，保障异形柱结构的质量、技术、安全以及经济合理性，特制订《混凝土异形

柱结构技术规程》作为中华人民共和国行业标准。

在此背景下，建设部于2006年3月9日正式批准《混凝土异形柱结构技术规程》（JGI149-2006J514-2006），并于2006年8月1日起正式实施。

2 异形柱结构设计中存在的相关问题以及注意事项

2.1 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1的要求。

由《规程》条文可知，高层甚至小高层建筑一律不准许采用所有异形柱框架结构，包括附有少量剪力墙的异形柱结构，而必须采用异形柱框架与剪力墙相结合的框架结构。特别重要的是在布置框架结构平面中，必须“加足”剪力墙。“加足”剪力墙的意思是不仅需要满足高层以及小高层结构位移和周期的要求之外，还需要满足剪力墙部分承受的结构总底部地震倾覆力矩小于第一振型底部地震倾覆力矩的50%。

2.2 补充验算45°方向地震作用

《规程》中明确规定计算异形柱结构的地震作用，应该符合相关规定：通常情况下，应该允许在异形柱结构的两个主轴方向，对水平地震的作用以及抗震验算进行分别计算，应该由该方向的抗侧力构件承担各方向水平地震的作用，当8度（0.20g）及7度（0.15g）时，应该对与主轴成45度方向的地震作用进行补充验算。”异形柱结构与矩形柱结构截面具有不同的特征（即受力特性），理论分析以及试验研究表明：异形柱的双向偏压正截面不同方向的承载力（作用）存在着很大的差异。在L形、T形以及十字形三种截面的异形柱结构中，差异最明显就是L形柱。当在异形柱框架结构中混合使用不等肢异形柱与等肢异形柱时，则差异的情况更为繁杂错乱，因此在异形柱结构计算地震作用中是异常重要的问题。

在异形柱结构计算抗震中，因为地震作用方向的划分角度越具体，各异形柱不同方向的内力变化的差异就越缩小，为了避免复杂而繁重的计算工作，提高工程设计的效率，应该尽可能选取小的角度方向，对于布置比较规则并采用等肢异形柱的异形柱结构，除0°、正交方向以及90°之外，再附加验算45°方向的地震作用，通常就可以满足异形柱结构角度的要求。

2.3 单跨框架结构

《规程》还提及到在进行抗震设计的时候，不应该选用错层、连体和多塔等结构形式复杂的异形柱结构，同时单跨框架结构也不应该在考虑采用的范围之内。当然，异形柱结构不考虑单跨框架结构并意味着异形柱结构中不可以有少量的单跨框架出现。

随着人们对房屋建筑的使用要求不断的提高以及建筑产业的迅猛发展，人们已经不再满足于传统意义上的房屋建筑平面。这对建筑结构设计单位以及工程师提出了新层次的要求，在布置结构柱网时，一定数量的单跨框架有出现的可能。特别要注意的是，单跨框架结构与平面柱网中出现单跨框架是完全不相同的两个概念。对于整体结构而言，至少一个结构主轴方向的单跨框架的数量超过该方向结构框架总数的30%时，此结构才能算得上是单跨框架结构。

2.4 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，在进行抗震设计时，对二、三级抗震等级的框架梁，梁端纵向的受拉钢筋百分率应该小于等于表2的规定值。”

普通的矩形柱框架梁，由于梁端的塑性转动量是决定梁的变形能力的主要原因之一，而梁的塑性转动量和截面混凝土的相对受压区高度息息相关。当相对受压区的高度为0.25～0.35的范围时，梁的位移延性系数可到达3～4。因此在梁端受拉钢筋计算时，应该充分考虑梁端受压钢筋的作用，；在计算梁端受压区高度时，应该按照梁端截面实际的受拉与受压钢筋的面积进行计算。在地震作用组合内力作用下，异形柱框架的梁支座处的纵向钢筋可能在节点一侧受压拉，另一侧受拉压，对于异形柱框架梁柱节点比较容易引起的纵向钢筋在节点核心区锚固破坏。为了保证梁的支座截面的延性，根據单筋梁满足x≤0.35h0的要求，进行二、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计算。

由计算梁异形柱框架梁和于矩形柱框架的梁端受拉钢筋条件有差异，致使二者的梁端受拉钢筋的配筋率不一样。所以进行异形柱结构计算时，大部分的结构计算软件是按照矩形柱梁端受拉钢筋的配筋率控制配筋，因此设计人员应该根据上表要的求对软件计算的结果进行人工复核，以免出现超筋现象。

2.5 允许异形柱结构施工的尺寸存在偏差

由于异形柱的结构截面尺寸比较小，为了保证钢筋保护层的厚度以及结构的安全，只允许异形柱结构的截面尺寸出现正偏差。这与现行的《规范》（GB50204-2002）中允许异性柱截面内部的尺寸出现负偏差的要求是不一样的。

2.6 框架顶层柱纵向钢筋的锚固与搭接

因为异形柱的柱肢与梁宽度大致相当，因此柱筋与梁筋交接处存在着比较密集的问题。依据国家相关法律法规标准、施工规范并结合异形柱本身的特点，将顶层的端节点柱外纵向钢筋沿节点外边与梁上边以及梁上部的纵向钢筋搭接长度增加到1.6laE（1.6la），但是伸入梁内的柱外侧纵向钢筋截面面积调整为大于等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。

2.7 梁柱重叠部分简化原则

在采用结构空间分析设计软件（例如SATWE，TAT）对异形柱结构进行结构整体分析计算时，对梁柱重叠部分宜简化为刚域。这样可以使梁负筋按柱边弯矩计算配筋，即适当削峰配置，有目的性的弱化梁，从而实现“强柱弱梁”的抗震原则。

3 应用情况

目前从我国建设情况来看，正在逐步推广混凝土异形柱结构体系.在工程设计程中，尽量采用异形柱框架一剪力墙结构。对楼面开大洞口、转角窗及楼梯间等抗震薄弱位置着重处理，采用剪力墙加强。在此过程中积累了一定的经验。混凝土异形柱结构体系从以前主要用于低层别墅建筑、多层住宅建筑逐渐扩展到用于小高层的住宅建筑、平面及竖向较为规则的宿舍建筑，工程实践表明效果良好，住户认知度及满意度较高，为节能减排及新墙材推广作出了突出的贡献，取得了良好的经济效益和社会效益。

设计人员在工程计算中配套使用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部的空间计算分析软件SATWE及TAT和天津大学编制的异形柱斜截面、正截面受剪承载力以及节点核心区的受剪承载力设计计算的软件CRSC，使异形柱正截面的承载力等复杂的数值分析更为可靠便捷。已在诸多异形柱结构工程设计中应用。

4 结束语

异形柱结构设计中，应注意控制好柱轴压比、短柱、梁纵筋在节点区锚固等相互影响的几个因素，不能为了满足某一因素而忽略其它因素，还应注意由于梁、柱宽度较小，钢筋布置应满足构造要求及施工要求。

参考文献

[1]DJB/T15-15-95.混凝土异形柱结构技术规程[S].

[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.2006.

康佳（1989-），男，土木工程本科，初级，现从事混凝土结构及钢结构设计工作。