淺談異形柱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李雅杰

1.異形柱的定義

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ140-2006中異形柱指截面幾何形狀為L、T、+形且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。相對(duì)于正方形和矩形柱而言是異型的柱子。異形柱肢厚一般為200、250mm。其形式與短墻肢相似，若肢較長就稱短墻肢。

2.異形柱結(jié)構(gòu)體系

異形柱結(jié)構(gòu)體系是指采用輕質(zhì)填充墻及隔墻的現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

3.異形柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向剛度對(duì)比相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。

（2）對(duì)于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時(shí)，受力明確，變形能力較好。而對(duì)短柱（H/h<4），剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構(gòu)件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu為砼的極限壓應(yīng)變，χ為截面受壓區(qū)高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。

（3）異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時(shí)要靠各柱肢交點(diǎn)處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯。

（4）特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。大量的試驗(yàn)資料和理論分析指出，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來保證其強(qiáng)度和延性。

4.異形柱結(jié)構(gòu)適用條件和應(yīng)用意義

4.2應(yīng)用意義

鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)將建筑美觀、使用功能的靈活性與建筑結(jié)構(gòu)合理的受力性能有機(jī)地結(jié)合起來，為用戶提供了理想的居住環(huán)境，受到房地產(chǎn)開發(fā)商和廣大用戶的歡迎，由于其符合室內(nèi)布置的要求，且與墻體（指填充墻）連接良好，在我國許多省市的住宅建筑已有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。異形柱結(jié)構(gòu)屬于框架-輕墻（填充墻、隔墻）結(jié)構(gòu)體系，采用輕質(zhì)高效的墻體材料，不僅改善建筑的保溫、隔熱性能，節(jié)約能源消耗，而且減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用，其綜合效益值得重視。

5.異形柱結(jié)構(gòu)的平面布置

（1）在異形柱結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。

（2）結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的不利影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移分別不宜大于該樓層兩端相應(yīng)平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層兩端相應(yīng)平均值的1.4倍。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.85。

7.異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列原則考慮地震作用

8.采用的地震作用計(jì)算方法

異形柱結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算宜采用振型分解反應(yīng)譜法，平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響顯著，應(yīng)采用扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解反應(yīng)譜法。

9.自振周期折減

框架結(jié)構(gòu)中由于非承重填充墻體的存在，會(huì)增大結(jié)構(gòu)整體剛度，減小結(jié)構(gòu)自振周期，從而產(chǎn)生增大結(jié)構(gòu)地震作用的影響。所以計(jì)算各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期時(shí)應(yīng)考慮非承重填充墻體對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響予以折減。折減系數(shù)ψ應(yīng)根據(jù)采用的輕質(zhì)填充墻數(shù)量的多少可取0.6～0.85。

10.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)

異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受剪承載力，是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié)。為確保安全，對(duì)抗震設(shè)計(jì)的二、三、四級(jí)抗震等級(jí)柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及非抗震設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，均應(yīng)進(jìn)行受剪承載力計(jì)算。在設(shè)計(jì)中，尚可采取各類有效措施，包括例如梁端增設(shè)支托或水平加腋等構(gòu)造措施，以提高或改善梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能。對(duì)于縱橫向框架共同交匯的節(jié)點(diǎn)，可以按各自方向分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算。

11.異形柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法

（1）異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應(yīng)大于4?？紤]到節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋設(shè)置及剛進(jìn)的錨固，所以肢厚不應(yīng)小于200mm（也不應(yīng)大于300mm），肢高不應(yīng)小于500mm。 抗震設(shè)計(jì)時(shí)宜采用等肢異形柱。

（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）Lb確定（Lb為計(jì)算跨度），且不應(yīng)小于400mm.梁的截面寬度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。梁的截面高度太小會(huì)使柱縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)錨固長度不足。

（3）異形柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C25和不大于C50，這是由于異形柱截面尺寸薄，混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C25，可能達(dá)不到其與鋼筋之間保證粘結(jié)的要求。強(qiáng)度等級(jí)高于C50時(shí)的異形柱構(gòu)件及結(jié)構(gòu)科學(xué)研究 相對(duì)較少，所以規(guī)程未列入。

（4）異形柱截面尺寸較小，為方便施工時(shí)鋼筋的布置及混凝土澆筑，宜優(yōu)先采用焊接。

（5）異形柱截面上受力縱筋的位置如下圖所示。試驗(yàn)和模擬計(jì)算表明這些位置上的縱筋均發(fā)揮大的作用，特別是當(dāng)軸壓較大時(shí)處于各肢內(nèi)折角處的縱筋的作用不容忽視，一定要作為受力筋處理。

12.異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

12.1異形框架的計(jì)算

由于其截面的特殊性，在柱截面對(duì)稱軸內(nèi)受水平力作用時(shí)，彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小，此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件，仍可按平截面假定分析，按砼設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，特別是在框架——剪力墻結(jié)構(gòu)中，對(duì)6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地，框架柱只承擔(dān)水平風(fēng)載的一小部分，如按一般偏壓柱計(jì)算，誤差較小。此時(shí)異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進(jìn)行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應(yīng)力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應(yīng)對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí)，宜選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件。現(xiàn)在有一些軟件沒有異形柱截面形式，如要用它進(jìn)行計(jì)算，要先進(jìn)行等剛度等面積換算成矩形柱，進(jìn)行整體分析，得到雙向內(nèi)力后再進(jìn)行異形柱的截面設(shè)計(jì)，其工作量相當(dāng)大，且截面設(shè)計(jì)的可靠性不高。目前，國內(nèi)可直接進(jìn)行異形柱截面內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)的軟件有建研院的TAT、SATWE程序，廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學(xué)的鋼筋砼異形柱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算程序CRSC。這些程序均用數(shù)值積分法進(jìn)行正截面配筋設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

12.2軸壓比控制

對(duì)框架結(jié)構(gòu)，框-剪結(jié)構(gòu)，柱的延性對(duì)于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由有關(guān)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析，柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對(duì)提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對(duì)柱的延性影響至關(guān)重要，特別是異形柱結(jié)構(gòu)剪力中心與截面形心不重合，剪應(yīng)力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對(duì)異形柱的軸壓比要嚴(yán)格控制。

在《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，分別給出了框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)不同截面形式下軸壓比限值要求。由天津大學(xué)土木系對(duì)異形柱延性資料可知，影響異形柱延性的因素比普通柱要復(fù)雜，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平側(cè)移下，其延性性能也有較大差異。為在實(shí)際工作中便于使用，可按不同的截面形式（L、T、十字型）與不同的抗震等級(jí)兩項(xiàng)指標(biāo)從嚴(yán)控制，對(duì)低烈度地區(qū)的這類結(jié)構(gòu)是能夠滿足其延性要求的。

12.3截面定義輸入

異形柱截面有T形、十形、L形，對(duì)一字形、Z字形規(guī)程未列入應(yīng)用，在PMCAD截面定義中輸入T形按2截面工形輸入，不用的地方輸0；十形按6截面十形輸入（該正正該負(fù)負(fù)）；L形用5截面槽鋼形輸入（定義某肢長為0）。其寬均為240，肢長為600。輸入軸線節(jié)點(diǎn)處應(yīng)注意偏心（以豎向肢中點(diǎn)來定位）材料應(yīng)定為砼。為減少輸入偏心轉(zhuǎn)角的麻煩，在定義時(shí)要多定幾個(gè)不同的截面類型。

12.4配筋計(jì)算

采用雙偏壓、拉計(jì)算，（角柱程序在編制過程中就默認(rèn)采用雙偏壓來計(jì)算，即使你在選擇系數(shù)時(shí)選的單偏壓計(jì)算模式，程序仍然按照雙偏壓計(jì)算）箍筋采用雙剪箍。異形柱肢長與肢寬比≤4時(shí)（梁的剛度計(jì)算跨度以柱形心為準(zhǔn)，這時(shí)在‘參數(shù)修正菜單中選擇不考慮梁柱重疊影響，即不考慮梁的剛域），否則應(yīng)考慮梁的剛域（梁的剛度計(jì)算跨度以柱凈跨為準(zhǔn)，這樣梁的剛度計(jì)算長度就短，剛度就大）。這時(shí)梁柱重疊部分，按剛域參數(shù)考慮。

12.5配筋構(gòu)造

在正確的結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算后，截面內(nèi)鋼筋的構(gòu)造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點(diǎn)，柱肢端部會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力，加上梁作用于柱肢上應(yīng)力的不均勻，一般越靠肢端應(yīng)力越大，對(duì)柱肢形成偏心壓力，進(jìn)一步加大肢端壓應(yīng)力。因而在異形柱配筋時(shí)，應(yīng)在肢端設(shè)暗柱，暗柱的外排鋼筋由計(jì)算而定。離端部厚度范圍內(nèi)設(shè)2Ф14的構(gòu)造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強(qiáng)度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復(fù)合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實(shí)現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標(biāo)好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

12.6扁平柱的使用

在異形柱結(jié)構(gòu)中使用扁平柱是可以的，建議最小厚度取250，梁縱筋用3級(jí)鋼，直徑不超過12。各項(xiàng)驗(yàn)算同普通框架柱，構(gòu)造和軸壓比建議控制更嚴(yán)格一些。因“一”形異形柱不提倡用，在許多工程上還不得不用，沒辦法可用扁平柱，其計(jì)算按矩形柱方法計(jì)算。

12.7程序的應(yīng)用

PKPM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了異形柱的布置、計(jì)算、施工圖設(shè)計(jì)。在異形柱布置時(shí)應(yīng)注意偏心，轉(zhuǎn)角的應(yīng)用；在TAT或SATWE計(jì)算時(shí)，要了解異形柱的剛度計(jì)算（注意應(yīng)考慮剪應(yīng)力不均勻分布的影響系數(shù)，一般矩形柱為1.2，異形柱采用分塊積分法在TAT數(shù)據(jù)檢查時(shí)統(tǒng)一完成）、剛域計(jì)算、整體內(nèi)力到柱肢內(nèi)力的分配計(jì)算，尤其是軸力的分配計(jì)算問題、以及異形柱配筋計(jì)算；在繪施工圖時(shí)，要了解異形柱的構(gòu)造要求，角點(diǎn)筋的配置，架立分布筋的設(shè)置等。 [科]