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摘要：主要介绍了某住宅楼异形柱框架结构的结构设计，重点讨论了异形柱框架结构体系的布置与计算。通过采用各种技术措施，提高了结构的安全性和抗震性能。
关键词：异形柱框架结构结构设计
随着国家经济发展和人民生活水平的提高，人们对住宅建筑的要求越来越高，普通框架结构的露梁露柱对室内家具的布置及空间使用的直接影响已越来越不能被房屋使用者所接受。异形柱截面摒弃了惯用的矩形柱，采用由多个小墙肢组成的T形、L形、十字形、Z形等截面柱子，具有少占建筑空间，改善建筑观瞻，建筑设计及使用功能更灵活、方便以及经济效益高等优点。近年来，异形柱框架结构在工程中的应用日渐广泛，尤其在住宅建筑中，已经有了比较丰富的工程实践经验。下面就一个工程实例探讨异形柱框架结构在住宅设计中的具体应用。
1 理论分析
1.1异形柱框架结构的受力特点
异型柱框架结构与普通框架结构相比，有如下受力特点：
1．根据建筑需要，异型柱在房间的分隔墙交点处灵活布匿，平面刚度疏散均匀，经常会有梁纵、横不贯通，结构较难简化为平面结构计算。
2．由于截面的特殊性，使得墙肢截平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，各向承载能力相差较大。
3．异形截面仅有一根对称轴或没有对称轴，对荷载的方向角敏感，抗扭刚度较差，相应地也造成异型柱结构的荷载方向敏感性，且稍有不对称或偏心，抗扭能力降低较大。
4．异形截面的柱肢角部是明显的薄弱部位，尤其是梁底与柱肢交界断面的柱肢角部，应力集中严重。
5．异型柱结构的梁高宽比大，柱肢狭长，使梁柱重叠部分多，在梁端一定范围形成刚域；同时节点区较大而薄，在弹塑性阶段，应计入节点区变形对结构变形的影响。
6.异形柱剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心混凝土协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，导致柱肢易先出现裂缝，也使得核心混凝土处于三向应力状态，造成异形柱变形能力低，脆性破坏明显，特别是异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。大量的试验资料和力学分析表明，异形柱的破坏形态为弯曲破坏、小偏压破坏、剪压破坏等，影响其破坏形态的因素有荷载角、轴压比、剪跨比、配筋率以及箍筋间距与纵筋直径的比值等。由于其受力性能的复杂性，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
1.2异形柱框架结构与普通框架结构的设计差异
1.对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，异形柱结构适用的房屋最大高度有较大幅度的降低。
2. 对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，异形柱结构弹性层间位移角限值、弹塑性层间位移角限值更加严格一些。
3对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，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。
4抗震设计时，对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，异形柱的轴压比限值均有不同幅度的降低。
5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45°方向进行补充验算。
2 工程概况
某住宅楼，地上七层，建筑层高2.8m，总高度20.200m，抗震设防烈度7度。本建筑物由3个相同单元组成，除两单元相接处凹入尺寸较大外，平面比较规则，建筑平面详见图一（本图只截出一个单元）。
3 结构选型及布置
由于甲方要求尽可能大的房屋使用空间，且要求房间内无凸柱现象。查《混凝土异形柱结构技术规程》（以下简称《规程》）（JGJ149-2006），由于建筑物高度20.200m<24m，采用异形柱框架结构既经济又实用。查《规程》本工程为三级抗震。由于本建筑较长（总长49.2m），且单元相接处凹入尺寸较大，故在不影响建筑使用和美观的前提下，在转角处和楼梯间布置了300X400的一般框架柱。其他除个别地方为了搭梁采用不等肢异形柱外，原则上均布置等肢截面异形柱，肢厚同墙厚200mm和240mm，肢高最小500mm，并以50mm递增。柱子大小还应考虑柱轴压比限值和配筋影响。结构平面布置详见图二。
图一标准层建筑平面图 图二标准层结构平面布置图
4 结构计算
本工程采用PKPM2005版计算。结构体系为异形柱框架结构，柱配筋计算原则按双偏压计算，计算水平地震作用并计入扭转影响。主要计算参数取值：（1）地震：设计地震分组一组，场地类别一类，抗震设防烈度7度，抗震等级三级，计算振型21个，周期折减系数取0.7，结构的阻尼比5%，特征周期取0.25s，斜交抗侧力构件方向附加地震数取2，相应角度为±45°。结构考虑双向地震作用和偶然偏心影响。（2）风载：地面粗糙度B类，修正后的基本风压0.35KN/m2。（3）恒载：混凝土26KN/m3。（4）活载：考虑活荷载全高不利布置，柱、墙、基础传递折减，系数按规范取值。（5）调整：中梁刚度放大系数取1.5，梁端弯矩调幅0.85。（6）设计参数：梁柱重叠部分简化为刚域（异形柱考虑梁的刚域，这样梁的计算长度变短，从而提高了结构刚度：即异形柱+带刚域的梁）。异形柱结构位移计算时，假定楼板在其自身平面内为无限刚性，并控制层间位移角限值1/600。
主要计算结果：周期：1.3057s，(△u/h）max=1/1475<1/600，最大轴压比0.72<0.8。
5施工图设计
梁、板、柱纵筋均采用HRB400(三级钢)，箍筋采用HPB235(一级钢)。板配筋布置规则同普通框架结构，但配置梁、柱纵筋时需注意：
（1）梁纵筋尽量选用小直径的钢筋。因为《规程》规定，对二、三级抗震等级，贯穿中柱的梁纵筋直径不宜大于该方向柱肢截面高度的1/30。
（2）支座两侧梁纵筋各排宜分别采用相同直径，并均应贯穿中间节点，避免在柱内锚固太多钢筋，造成施工浇捣困难。
（3）《规程》规定三级抗震时，梁端纵向受拉钢筋配筋率不宜大于1.4%。计算时，在条件允许的情况下尽量采用加高截面的方法将配筋率控制在1.0%以内，以达到最经济的效果。
（4）异形柱固定钢筋位置的纵向钢筋按PKPM计算结果配置，同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，且直径不应小于14mm，不应大于25mm。纵向受力钢筋之间净距不应小于50mm，间距不宜大于200mm。当纵向受力钢筋不能满足上述要求时，应设置纵向构造钢筋，其直径不应小于12mm，并应设置拉筋，拉筋间距应与箍筋间距相同。异形柱箍筋采用复合箍筋，局部采用拉筋形成复合箍，拉筋应紧靠纵向钢筋并钩住箍筋。异形柱箍筋加密区箍筋肢距不宜大于200mm，加密区体积配箍率不应小于0.6%。非加密区箍筋的体积配箍率不宜小于箍筋加密区的50%。箍筋间距不应大于柱肢截面厚度，15d和250mm。
6 结论
混凝土异形柱结构具有少占建筑空间，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性，同时结合墙体改革，采用保温、隔热、轻质、高效的墙体材料作为框架填充墙及内隔墙，代替传统的烧结普通砖，达到了节能的效果。但是相对于普通框架结构，混凝土异形柱结构的平面布置和抗震性能都有一定的局限性。設计时应特别注意以下几点：
（1）异形柱结构宜采用规则的结构设计方案。有斜交抗侧力构件的异形柱结构，除了考虑两个主轴方向的水平地震作用和±45°地震作用方向外，还应计入各抗侧力构件方向、与斜交抗侧力构件呈±45°地震作用方向的计算。一般可满足工程精度要求。
（2）异形柱宜采用等肢截面，异形柱结构的平面布置宜简单、规则，或者说，异形柱(尤其是L 形柱)与建筑主轴X轴尽量不构成复杂的夹角。建议夹角不多于两个，以免增加多组地震作用方向的验算。
（3）抗震设计时，异形柱结构不应采用多塔、连体和错层等复杂结构形式，也不应采用单跨框架结构。
（4）异形柱结构的楼梯间、电梯井应根据建筑布置及结构抗侧向作用的需要，合理地布置剪力墙或一般框架柱。
参考文献
[1] 混凝土异形柱结构技术规程(JGJ149 —2006) [ S] . 2006.
[2]建筑抗震设计规范(GB50011 —2001) [ S] . 北京:中国建筑工业出版社，2001.
[3] 何玲， 杨正海等.异形柱结构对平面布置的要求 [J ] . 建筑结构，2007 (7)
[4] 沈伟， 汪杰. 南京虎啸小区09 栋住宅异形框架设计[J ] . 建筑结构，2001 (11)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：异形柱框架结构结构设计
随着国家经济发展和人民生活水平的提高，人们对住宅建筑的要求越来越高，普通框架结构的露梁露柱对室内家具的布置及空间使用的直接影响已越来越不能被房屋使用者所接受。异形柱截面摒弃了惯用的矩形柱，采用由多个小墙肢组成的T形、L形、十字形、Z形等截面柱子，具有少占建筑空间，改善建筑观瞻，建筑设计及使用功能更灵活、方便以及经济效益高等优点。近年来，异形柱框架结构在工程中的应用日渐广泛，尤其在住宅建筑中，已经有了比较丰富的工程实践经验。下面就一个工程实例探讨异形柱框架结构在住宅设计中的具体应用。
1 理论分析
1.1异形柱框架结构的受力特点
异型柱框架结构与普通框架结构相比，有如下受力特点：
1．根据建筑需要，异型柱在房间的分隔墙交点处灵活布匿，平面刚度疏散均匀，经常会有梁纵、横不贯通，结构较难简化为平面结构计算。
2．由于截面的特殊性，使得墙肢截平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，各向承载能力相差较大。
3．异形截面仅有一根对称轴或没有对称轴，对荷载的方向角敏感，抗扭刚度较差，相应地也造成异型柱结构的荷载方向敏感性，且稍有不对称或偏心，抗扭能力降低较大。
4．异形截面的柱肢角部是明显的薄弱部位，尤其是梁底与柱肢交界断面的柱肢角部，应力集中严重。
5．异型柱结构的梁高宽比大，柱肢狭长，使梁柱重叠部分多，在梁端一定范围形成刚域；同时节点区较大而薄，在弹塑性阶段，应计入节点区变形对结构变形的影响。
6.异形柱剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心混凝土协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，导致柱肢易先出现裂缝，也使得核心混凝土处于三向应力状态，造成异形柱变形能力低，脆性破坏明显，特别是异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。大量的试验资料和力学分析表明，异形柱的破坏形态为弯曲破坏、小偏压破坏、剪压破坏等，影响其破坏形态的因素有荷载角、轴压比、剪跨比、配筋率以及箍筋间距与纵筋直径的比值等。由于其受力性能的复杂性，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
1.2异形柱框架结构与普通框架结构的设计差异
1.对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，异形柱结构适用的房屋最大高度有较大幅度的降低。
2. 对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，异形柱结构弹性层间位移角限值、弹塑性层间位移角限值更加严格一些。
3对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，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。
4抗震设计时，对于相同抗震设防烈度和结构体系而言，异形柱的轴压比限值均有不同幅度的降低。
5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45°方向进行补充验算。
2 工程概况
某住宅楼，地上七层，建筑层高2.8m，总高度20.200m，抗震设防烈度7度。本建筑物由3个相同单元组成，除两单元相接处凹入尺寸较大外，平面比较规则，建筑平面详见图一（本图只截出一个单元）。
3 结构选型及布置
由于甲方要求尽可能大的房屋使用空间，且要求房间内无凸柱现象。查《混凝土异形柱结构技术规程》（以下简称《规程》）（JGJ149-2006），由于建筑物高度20.200m<24m，采用异形柱框架结构既经济又实用。查《规程》本工程为三级抗震。由于本建筑较长（总长49.2m），且单元相接处凹入尺寸较大，故在不影响建筑使用和美观的前提下，在转角处和楼梯间布置了300X400的一般框架柱。其他除个别地方为了搭梁采用不等肢异形柱外，原则上均布置等肢截面异形柱，肢厚同墙厚200mm和240mm，肢高最小500mm，并以50mm递增。柱子大小还应考虑柱轴压比限值和配筋影响。结构平面布置详见图二。
图一标准层建筑平面图 图二标准层结构平面布置图
4 结构计算
本工程采用PKPM2005版计算。结构体系为异形柱框架结构，柱配筋计算原则按双偏压计算，计算水平地震作用并计入扭转影响。主要计算参数取值：（1）地震：设计地震分组一组，场地类别一类，抗震设防烈度7度，抗震等级三级，计算振型21个，周期折减系数取0.7，结构的阻尼比5%，特征周期取0.25s，斜交抗侧力构件方向附加地震数取2，相应角度为±45°。结构考虑双向地震作用和偶然偏心影响。（2）风载：地面粗糙度B类，修正后的基本风压0.35KN/m2。（3）恒载：混凝土26KN/m3。（4）活载：考虑活荷载全高不利布置，柱、墙、基础传递折减，系数按规范取值。（5）调整：中梁刚度放大系数取1.5，梁端弯矩调幅0.85。（6）设计参数：梁柱重叠部分简化为刚域（异形柱考虑梁的刚域，这样梁的计算长度变短，从而提高了结构刚度：即异形柱+带刚域的梁）。异形柱结构位移计算时，假定楼板在其自身平面内为无限刚性，并控制层间位移角限值1/600。
主要计算结果：周期：1.3057s，(△u/h）max=1/1475<1/600，最大轴压比0.72<0.8。
5施工图设计
梁、板、柱纵筋均采用HRB400(三级钢)，箍筋采用HPB235(一级钢)。板配筋布置规则同普通框架结构，但配置梁、柱纵筋时需注意：
（1）梁纵筋尽量选用小直径的钢筋。因为《规程》规定，对二、三级抗震等级，贯穿中柱的梁纵筋直径不宜大于该方向柱肢截面高度的1/30。
（2）支座两侧梁纵筋各排宜分别采用相同直径，并均应贯穿中间节点，避免在柱内锚固太多钢筋，造成施工浇捣困难。
（3）《规程》规定三级抗震时，梁端纵向受拉钢筋配筋率不宜大于1.4%。计算时，在条件允许的情况下尽量采用加高截面的方法将配筋率控制在1.0%以内，以达到最经济的效果。
（4）异形柱固定钢筋位置的纵向钢筋按PKPM计算结果配置，同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，且直径不应小于14mm，不应大于25mm。纵向受力钢筋之间净距不应小于50mm，间距不宜大于200mm。当纵向受力钢筋不能满足上述要求时，应设置纵向构造钢筋，其直径不应小于12mm，并应设置拉筋，拉筋间距应与箍筋间距相同。异形柱箍筋采用复合箍筋，局部采用拉筋形成复合箍，拉筋应紧靠纵向钢筋并钩住箍筋。异形柱箍筋加密区箍筋肢距不宜大于200mm，加密区体积配箍率不应小于0.6%。非加密区箍筋的体积配箍率不宜小于箍筋加密区的50%。箍筋间距不应大于柱肢截面厚度，15d和250mm。
6 结论
混凝土异形柱结构具有少占建筑空间，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性，同时结合墙体改革，采用保温、隔热、轻质、高效的墙体材料作为框架填充墙及内隔墙，代替传统的烧结普通砖，达到了节能的效果。但是相对于普通框架结构，混凝土异形柱结构的平面布置和抗震性能都有一定的局限性。設计时应特别注意以下几点：
（1）异形柱结构宜采用规则的结构设计方案。有斜交抗侧力构件的异形柱结构，除了考虑两个主轴方向的水平地震作用和±45°地震作用方向外，还应计入各抗侧力构件方向、与斜交抗侧力构件呈±45°地震作用方向的计算。一般可满足工程精度要求。
（2）异形柱宜采用等肢截面，异形柱结构的平面布置宜简单、规则，或者说，异形柱(尤其是L 形柱)与建筑主轴X轴尽量不构成复杂的夹角。建议夹角不多于两个，以免增加多组地震作用方向的验算。
（3）抗震设计时，异形柱结构不应采用多塔、连体和错层等复杂结构形式，也不应采用单跨框架结构。
（4）异形柱结构的楼梯间、电梯井应根据建筑布置及结构抗侧向作用的需要，合理地布置剪力墙或一般框架柱。
参考文献
[1] 混凝土异形柱结构技术规程(JGJ149 —2006) [ S] . 2006.
[2]建筑抗震设计规范(GB50011 —2001) [ S] . 北京:中国建筑工业出版社，2001.
[3] 何玲， 杨正海等.异形柱结构对平面布置的要求 [J ] . 建筑结构，2007 (7)
[4] 沈伟， 汪杰. 南京虎啸小区09 栋住宅异形框架设计[J ] . 建筑结构，2001 (11)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。