论文部分内容阅读
[摘 要]异形柱结构是一种适应目前城市住宅建设发展需要、抗震性能较好的结构体系，本文结合工程实例，对异形柱框架结构的使用范围、受力分析、构造要求等方面作了一些探讨。
[关键词]异形柱结构构造要求
中图分类号：tu74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0054-01
一、前言
近年来，异形柱框架或异形柱框架一剪力墙结构作为一种全新的结构形式广泛用于小高层住宅建筑中，将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，相对于传统的短肢剪力墙或框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10%的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6度或7度的地区。
二、异形柱的适用范围
异形柱结构一般应用在6度和7度设防地区，适用高度为框架结构20m左右，框架一剪力墙结构40 m左右。在异形柱结构中部分竖向构件使用扁平柱是可以的，建议最小厚度不少于250mm，梁纵筋用3级钢，直径不超过12，各项验算同普通框架柱，构造和轴压比应适当控制更严格一些。因“一”形扁平异形柱不提倡使用，但在某些工程上缺少不了，没办法也可用扁平柱，其计算按矩形柱方法计算。
设计应用时应考虑地震力系数放大和自振周期折减。因用异形柱导致刚度下降，使得地震力减小，应采用地震力放大系数来适当地增加地震力。而计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期，应考虑非承重填充墙体对结构整体刚度的影响予以折减。
三、异形柱结构的受力特点及破坏特征
1、异形柱的延性是结构抗震的一个重要指标，而异形柱的延性主要与轴压比、箍筋的直径与间距、荷载角等因素有关。在相关异形柱延性的研究中，已经发现L 形、T 形柱在纯腹板受压时其截面延性很差，并且导致其轴压比限值也比普通矩形柱小很多，其主要原因是T 形、L形柱在纯腹板受压时，受压区的混凝土宽度较小，导致截面受压区高度偏大，受压区边缘混凝土应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透过快，不利于外边缘的混凝土纤维经历下降段，受拉钢筋也很难达到屈服强度，从而影响整个截面和构件的延性，由此也很容易发生小偏心受压破坏。
2、异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，多为双向偏压受力构件，在受力状态下，各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱低。
3、异形柱节点处的构造相对复杂，由于异形柱的周长要明显大于等面积的矩形或方形柱的周长，使得混凝土保护层脱落后的截面削弱更为严重，由此会大大降低地震作用下异形柱的耗能能力，节点核心区配置箍筋能减少节点区的裂缝数量及宽度，试验表明，在一定配箍率范围内可以提高节点的极限承载力，平均提高25 %。
4、T 形和L 形柱节点均属斜压破坏，而矩形柱节点有剪压破坏特征； T 形和L 形柱节点与矩形柱节点均有良好的抗震性能，即在地震作用下能承受较大的剪切变形能力，但在同样条件下的试验对比，前者的承载能力低于后者， T 形柱节点承载力比矩形柱节点降低15 %～20 % ，L 形柱节点实际降低为33 %左右；在柱截面积相同的条件下，十字形柱节点比矩形柱节点的抗剪极限承载力低10 %。T 形截面柱的截面在节点区的剪力分布比较均匀，发挥作用比L 形截面柱节点好，十字形截面柱的翼缘布置在节点截面中间受力最大的部位，在3 种柱形中发挥作用属于最好的，若节点截面积相同，L 形截面柱节点承载力在3 种柱形中属于最低的。
5、L 形和Z 形柱是关于荷载作用方向不对称，因此在水平荷载作用下，会产生附加扭矩，L 形柱处于压、弯、剪、扭的复合受力状态，对于宽肢Z 形柱则易发生腹板剪切破坏。
6、试验表明，异形柱属于弯曲型破坏，在弹性工作阶段，异形柱框架结构在水平荷载作用下变形曲线呈一定程度上的弯剪型，异形柱的肢长与肢宽之比要明显大于普通框架柱，所以在水平荷载作用下的变形特征介于剪力墙结构和普通框架之间。
四、异形柱的构造要求
（1）混泥土强度等级不应低于C25，且不应高于C50；纵向受力钢结构宜采用HRB400、
HRB335级钢筋，箍筋宜采用HRB335、HRB400、HP235B级钢筋。
（2）异形柱截面肢高与肢厚比不应小于200mm，肢高不应小于500mm；框架梁截面高度，抗震设计时不宜小于400mm，非抗震设计时不宜小于350mm，截面宽度不宜小于截面高度的1/4和200mm。
（3）轴压比限值：异形柱的轴压比限值各地规定不尽相同，但总的来说比普通的框架柱要严。文献规定，抗震等级为三级时，L形、T形、十字形柱的轴压比限值分别为0.6、0.65、0.7，抗震等级为二级时，L形、T形、十字形柱的轴压比限值分别为0.5、0.55、0.6。
（4）异形柱的配筋要求：在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，且直径不应大于25mm，也不应小于14mm；纵向受力钢筋之间的净距不应小于50mm，在二、三级时纵向钢筋的间距不宜大于200mm；异形柱框架梁的配筋要求：由于柱和梁截面的关系，造成框架梁与柱的节点处钢筋过于密集，在选择纵向受力钢筋时，应根据配筋面积选择较大直径的钢筋，每排钢筋最好不超过2根，若超过时，分成2排布置。
（5）水平位移限值：最大层间位移角，框架结构为1/600。
五、实例分析
本工程为于2009年设计的广东某地区一栋9层宿舍楼，首层为4.2m，标准层层高3.1m，建筑高度为29.0m。该工程基础采用预应力管桩基础，上部为框架结构。由于该工程为某企业的高级员工宿舍楼，建筑要求宿舍内不能外露柱，以增加建筑的使用空间和美观性，因此采用了异形柱结构。该工程位于6度抗震设防区，基本风压为0.55kN/m2 。场地类别为Ⅱ类。电算采用中国建筑设计研究院编制发行的PKPM结构空间有限元分析设计软件SATWE进行计算。计算时假定结构变形在弹性范围内，楼面平面内刚度为无穷大。框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其适用的房屋最大高度可比框架结构适当增加。
工程建筑高度为29.0m，在左右两端的楼梯位置设置了剪力墙，同时在四层以下局部设置了短肢剪力墙，其承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%，可满足此项规定。另，《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006中3.3.1规定了异形柱结构的抗震等级。本工程框架抗震等级为三级，剪力墙的抗震等级为三级。
另外，异形柱在水平荷载作用下受弯、受剪、受扭，在竖向荷载作用下为双向压弯构件，各肢将产生翘曲正应力和剪应力，使柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝。为提高异形柱的延性，《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006中6.2.2規定了抗震设计时异形柱的轴压比的限值。本工程中L形柱的轴压比限值为0.60，T形柱的轴压比限值为0.65。
综合考虑，本工程四层以下局部采用短肢剪力墙，墙厚为200mm，其他楼层采用L形或T形的异形柱，宽度为200mm。混凝土强度等级为底部两层C35，其余为C30。
六、 结语
异形柱结构体系布置灵活，构件形式多样，能较好满足建筑要求，特别适合在小高层住宅中采用，具有良好的经济和社会效益。异形柱框架和短肢剪力墙既可以自成一体，也可以相互混用，设计者可以根据建筑高度、结构和构件的延性及抗侧力的需要合理布置。在实际工程中通过在异形柱框架中合理布置剪力墙，可极大改善结构的工作性能，既保证了结构刚度，又降低了造价，同时也提高了空间布置的灵活性，因此这种方案可以作为中高层异形柱框剪结构体系的优选方案。
综上所述，异形柱的设计计算原理并不复杂，施工技术正逐步完善，其应用有着广阔的前景；但在一些领域仍需作大量的研究。随着异形柱结构研究的深人，以及国家统一设计规程《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149一2006）的实施，异形柱结构将得到更广泛的应用。
[关键词]异形柱结构构造要求
中图分类号：tu74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0054-01
一、前言
近年来，异形柱框架或异形柱框架一剪力墙结构作为一种全新的结构形式广泛用于小高层住宅建筑中，将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，相对于传统的短肢剪力墙或框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10%的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6度或7度的地区。
二、异形柱的适用范围
异形柱结构一般应用在6度和7度设防地区，适用高度为框架结构20m左右，框架一剪力墙结构40 m左右。在异形柱结构中部分竖向构件使用扁平柱是可以的，建议最小厚度不少于250mm，梁纵筋用3级钢，直径不超过12，各项验算同普通框架柱，构造和轴压比应适当控制更严格一些。因“一”形扁平异形柱不提倡使用，但在某些工程上缺少不了，没办法也可用扁平柱，其计算按矩形柱方法计算。
设计应用时应考虑地震力系数放大和自振周期折减。因用异形柱导致刚度下降，使得地震力减小，应采用地震力放大系数来适当地增加地震力。而计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期，应考虑非承重填充墙体对结构整体刚度的影响予以折减。
三、异形柱结构的受力特点及破坏特征
1、异形柱的延性是结构抗震的一个重要指标，而异形柱的延性主要与轴压比、箍筋的直径与间距、荷载角等因素有关。在相关异形柱延性的研究中，已经发现L 形、T 形柱在纯腹板受压时其截面延性很差，并且导致其轴压比限值也比普通矩形柱小很多，其主要原因是T 形、L形柱在纯腹板受压时，受压区的混凝土宽度较小，导致截面受压区高度偏大，受压区边缘混凝土应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透过快，不利于外边缘的混凝土纤维经历下降段，受拉钢筋也很难达到屈服强度，从而影响整个截面和构件的延性，由此也很容易发生小偏心受压破坏。
2、异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，多为双向偏压受力构件，在受力状态下，各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱低。
3、异形柱节点处的构造相对复杂，由于异形柱的周长要明显大于等面积的矩形或方形柱的周长，使得混凝土保护层脱落后的截面削弱更为严重，由此会大大降低地震作用下异形柱的耗能能力，节点核心区配置箍筋能减少节点区的裂缝数量及宽度，试验表明，在一定配箍率范围内可以提高节点的极限承载力，平均提高25 %。
4、T 形和L 形柱节点均属斜压破坏，而矩形柱节点有剪压破坏特征； T 形和L 形柱节点与矩形柱节点均有良好的抗震性能，即在地震作用下能承受较大的剪切变形能力，但在同样条件下的试验对比，前者的承载能力低于后者， T 形柱节点承载力比矩形柱节点降低15 %～20 % ，L 形柱节点实际降低为33 %左右；在柱截面积相同的条件下，十字形柱节点比矩形柱节点的抗剪极限承载力低10 %。T 形截面柱的截面在节点区的剪力分布比较均匀，发挥作用比L 形截面柱节点好，十字形截面柱的翼缘布置在节点截面中间受力最大的部位，在3 种柱形中发挥作用属于最好的，若节点截面积相同，L 形截面柱节点承载力在3 种柱形中属于最低的。
5、L 形和Z 形柱是关于荷载作用方向不对称，因此在水平荷载作用下，会产生附加扭矩，L 形柱处于压、弯、剪、扭的复合受力状态，对于宽肢Z 形柱则易发生腹板剪切破坏。
6、试验表明，异形柱属于弯曲型破坏，在弹性工作阶段，异形柱框架结构在水平荷载作用下变形曲线呈一定程度上的弯剪型，异形柱的肢长与肢宽之比要明显大于普通框架柱，所以在水平荷载作用下的变形特征介于剪力墙结构和普通框架之间。
四、异形柱的构造要求
（1）混泥土强度等级不应低于C25，且不应高于C50；纵向受力钢结构宜采用HRB400、
HRB335级钢筋，箍筋宜采用HRB335、HRB400、HP235B级钢筋。
（2）异形柱截面肢高与肢厚比不应小于200mm，肢高不应小于500mm；框架梁截面高度，抗震设计时不宜小于400mm，非抗震设计时不宜小于350mm，截面宽度不宜小于截面高度的1/4和200mm。
（3）轴压比限值：异形柱的轴压比限值各地规定不尽相同，但总的来说比普通的框架柱要严。文献规定，抗震等级为三级时，L形、T形、十字形柱的轴压比限值分别为0.6、0.65、0.7，抗震等级为二级时，L形、T形、十字形柱的轴压比限值分别为0.5、0.55、0.6。
（4）异形柱的配筋要求：在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，且直径不应大于25mm，也不应小于14mm；纵向受力钢筋之间的净距不应小于50mm，在二、三级时纵向钢筋的间距不宜大于200mm；异形柱框架梁的配筋要求：由于柱和梁截面的关系，造成框架梁与柱的节点处钢筋过于密集，在选择纵向受力钢筋时，应根据配筋面积选择较大直径的钢筋，每排钢筋最好不超过2根，若超过时，分成2排布置。
（5）水平位移限值：最大层间位移角，框架结构为1/600。
五、实例分析
本工程为于2009年设计的广东某地区一栋9层宿舍楼，首层为4.2m，标准层层高3.1m，建筑高度为29.0m。该工程基础采用预应力管桩基础，上部为框架结构。由于该工程为某企业的高级员工宿舍楼，建筑要求宿舍内不能外露柱，以增加建筑的使用空间和美观性，因此采用了异形柱结构。该工程位于6度抗震设防区，基本风压为0.55kN/m2 。场地类别为Ⅱ类。电算采用中国建筑设计研究院编制发行的PKPM结构空间有限元分析设计软件SATWE进行计算。计算时假定结构变形在弹性范围内，楼面平面内刚度为无穷大。框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其适用的房屋最大高度可比框架结构适当增加。
工程建筑高度为29.0m，在左右两端的楼梯位置设置了剪力墙，同时在四层以下局部设置了短肢剪力墙，其承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%，可满足此项规定。另，《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006中3.3.1规定了异形柱结构的抗震等级。本工程框架抗震等级为三级，剪力墙的抗震等级为三级。
另外，异形柱在水平荷载作用下受弯、受剪、受扭，在竖向荷载作用下为双向压弯构件，各肢将产生翘曲正应力和剪应力，使柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝。为提高异形柱的延性，《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006中6.2.2規定了抗震设计时异形柱的轴压比的限值。本工程中L形柱的轴压比限值为0.60，T形柱的轴压比限值为0.65。
综合考虑，本工程四层以下局部采用短肢剪力墙，墙厚为200mm，其他楼层采用L形或T形的异形柱，宽度为200mm。混凝土强度等级为底部两层C35，其余为C30。
六、 结语
异形柱结构体系布置灵活，构件形式多样，能较好满足建筑要求，特别适合在小高层住宅中采用，具有良好的经济和社会效益。异形柱框架和短肢剪力墙既可以自成一体，也可以相互混用，设计者可以根据建筑高度、结构和构件的延性及抗侧力的需要合理布置。在实际工程中通过在异形柱框架中合理布置剪力墙，可极大改善结构的工作性能，既保证了结构刚度，又降低了造价，同时也提高了空间布置的灵活性，因此这种方案可以作为中高层异形柱框剪结构体系的优选方案。
综上所述，异形柱的设计计算原理并不复杂，施工技术正逐步完善，其应用有着广阔的前景；但在一些领域仍需作大量的研究。随着异形柱结构研究的深人，以及国家统一设计规程《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149一2006）的实施，异形柱结构将得到更广泛的应用。