1、钢筋混凝土异形柱结构的设计与应用摘要：钢筋混凝土异形柱指的是除矩形、圆形以外的截面形式，如T形、十字形、L 形等截面形式。仅由钢筋混凝土异形柱作为竖向构件组成的结构体系，称之为异形柱框架结构，它般可用于多层住宅等。本文介绍了钢筋混凝土异形柱的研究现状，简要阐述了钢筋混凝土异形柱的优缺点，论述了异形柱结构设计的一般规定和计算方法，以促进钢筋混凝土异形柱的应用与推广。 关键词：钢筋混凝土；异形柱；框架结构；结构设计；应用 Abstract: This article describes the status of shaped reinforced concrete columns, briefl
2、y described the advantages and disadvantages of reinforced concrete columns, and discussed the general provisions of the shaped column structure design and calculation methods in order to promote the application and promotion of the reinforced concrete columns.Key words: reinforced concrete; shaped
3、columns; frame structure; structural design; application 中图分类号：TU375.3 文献标识码：A 文章编号： 1 异形柱在我国的发展 近年来，随着国民经济的快速发展和住房分配制度改革的不断深入，作为人们正常生活基本条件的住宅发生了很大的变化，建筑功能越来越灵活，平面布置越来越合理，商品化住宅产业也已经形成较大的规模，拥有满意的住宅成为我国民众生活消费计划中的头等大事。如今，房地产市场日渐成熟，六、七层的多层和十几层的小高层住宅建筑形式越来越受到人们的青睐，除满足正常的使用要求之外，结构的抗震性能和安全度也要求越来越高，这就要求结构工程
4、师为这类住宅建筑探索出一种安全、经济、合理的结构形式。结构设计者在思想上从剪力墙发展到短肢剪力墙，再延伸到异形柱结构，他们大胆而创新地在结构中采用肢宽与墙同厚的 L形、十字形、T 形截面的柱子，也有少数采用 z形和一字形，目的是将柱子隐藏到墙体中，使住宅结构的内部美观平整；配合轻质隔墙的采用，使结构自重减轻，地震作用小，使造价更经济。于是，钢筋混凝土异形柱结构(以下均简称异形柱结构)体系便从住宅建筑的发展中逐步形成。所谓异形柱就是异形截面框架柱的简称，是指在满足结构强度和刚度的前提下，根据房间布置情况以及柱子具体位置需要而采用的截面几何形状分别为 L形、十形或者 T形的柱子。异形柱结构包括异形
5、柱框架结构和异形柱框架一剪力墙结构两种，均采用异形柱代替传统的矩形柱或圆形柱，构成所谓的“隐式框架” ，是一种新型的住宅结构体系。2 异形柱结构体系的优点 (1)在异形柱结构中，传统的矩形柱改为 L形、T 形、十形等能与分隔墙融合的形状，柱肢与墙等厚。室内不突出柱楞，空间有效利用率大大提高，房间美观实用，平面布置灵活，同时便于电线管道布置和室内装修。 (2)异形柱结构墙体的减薄，可大大增加使用面积，与砌体结构相比，可增加使用面积 8一 10，填充墙的墙体材料，可根据当地保温隔热要求，因地制宜，就地取材，例如多孔砖、加气混凝土砌块、空心混凝土砌块、GRC 轻质隔墙、石膏板和陶粒混凝土砌块等，既减
6、轻了结构的自重，又降低了能源消耗，取得良好的社会效益和经济效益。 (3)异形柱结构体系很大程度上降低了结构自重，在刚度相同的情况下，一般异形柱构件的截面面积小于矩形柱截面面积，柱子的自重减轻，而且填充墙材料可以采用轻质材料，所以，异形柱结构的自重，能够降低到普通砌体结构的 60左右，而自重减轻可以提高结构的整体抗震及抗风性能，并减轻了基础的负担，降低了造价。 所以异形柱结构是大力推行住宅产业现代化而发展起来的新型住宅结构体系，已被列为当前我国住宅建设中五种主要结构体系之一。 3 钢筋混凝土异形柱的缺点 异形柱在全国各地都有广泛的应用，建设部颁布的行业标准 JGJ149-2006混凝土异形柱结构
7、技术规程也极大地推动了钢筋混凝土异形柱在我国的发展与应用。 但是，随着钢筋混凝土异形柱实际工程应用的增多以及对其研究的深入，它的缺点也逐渐暴露出来。异形柱框架结构在应用于高度更高、层数更多的建筑时，受到自身特点的限制。 异形柱为了和墙体的尺寸一致，柱截面偏小，因而其承载能力就会受到限制，随着高层和超高层建筑的发展，建筑层数的增多，上部荷载的增大，必然会导致柱截面的增大，由于纯粹的钢筋混凝土异形柱的承载力有限，势必要增大钢筋混凝土异形柱的截面来满足工程上对承载力的要求。 （2）构造复杂，相对普通矩形截面柱，其柱肢较为薄弱，抗震能力相对不足，延性较差，而且翼缘比较窄，容易造成钢筋的拥挤、模板密集、
8、混凝土浇筑困难，从而给施工造成很大的不便。 （3）异形柱对水平荷载的方向性比较敏感，水平荷载作用方向的不同会导致结构的承载力存在较大差异，而且设计计算时，结构的扭转不好控制。 （4）为保证柱子的延性要求，需要较大配箍率并严格控制轴压比。因此，我国对异形柱的应用进行了严格控制，JGJ149-2006 混凝土异形柱结构技术规程指出异形柱结构体系主要使用于多层框架，房屋的适用高度不大于表 1的规定限值。 表 1 异形柱结构适用的房屋最大高度 m 正是由于以上的原因，钢筋混凝土异形柱在高层建筑及地震高烈度设防区的应用受到极大的限制。 4 异形柱结构设计的一般规定 4.1 结构布置 与一般钢筋混凝土框架
9、结构相比，异形柱框架结构在结构布置时应注意以下原则： (1)结构平面宜尽量对称。使平面和刚度均匀，2 个主轴方向应协调布置，避免扭转带来的不利影响：如果有明显的不对称，应考虑扭转对结构受力的不利影响。 (2)异形框架宜双向设置，框架柱应对齐，框架梁应拉通，避免纵横框架梁相互支撑，使结构形成空间受力并具有足够的承载能力、刚度和稳定性，同时具有良好的整体性和较好的抗震性能。 (3)竖向布置应力求体型规则、均匀。避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，尽量避免错层。 4.2 适用高度、高宽比及长细比限制 异形柱框架在 7度抗震设防烈度区，要求房屋高度35m，层数12，建筑物的高宽比不宜大于
10、5；8 度区房屋高度不大于 25m，建筑物的高宽比不宜大于 4。另外，柱净高与截面长边之比，即长细比宜大于 4小于 8。长细比小于(4 即短柱)，容易发生脆性剪切破坏；长细比大于8，易引起失稳破坏。 5 异形柱的结构计算方法 目前，异形柱的结构设计还没有统一的国家规范，仅有两部地方性法规，即广东省和天津市的标准就可供参考。异形柱不宜套用普通柱的配筋公式，也不宜直接用剪力墙的配筋公式，一般来说，有以下几种计算方法。 5.1 直接计算法 根据国内外的部分试验结果，进行统计分析，拟合成经验公式。即按 T型截面分别计算出纵向力作用 X轴及 Y轴，考虑相应的初始偏心距增大系数后，按仅考虑曲肘边纵向受力钢
11、筋计算的偏心受压构件所能承载的纵向力 Nx和 Ny，然后以初始偏心距与截面边长的比值为参数进行修正。 5.2 等代矩形柱计算法 (1)将异形柱截面折算成惯性矩相等的矩形截面且将等代矩形柱的形心置于异形柱两肢杆轴线的交点上。 (2)将其输入空间分析程序(如 TBSA)进行位移和内力计算，可简化上作量。 (3)以上电算输出的是作用在等代矩形杆形心处的组合内力，需将其回归到各个单肢截面的形心处。这样每个单肢就可按其各自的组合内力进行正、斜截面的配筋计算。 这种用面积等效换算作抗压抗剪分析的方法在工程中应用较多，但用这种方法计算时应明确的是：按矩形柱计算时得出的内力要转换到异形柱上断面形心的位置。然后
12、按异形柱计算配筋；按矩形柱得出的轴压比应乘以矩形柱断面面积与异形柱断面面积之比值才足异形柱的轴压比。5.3 先配筋再复核法 对于有经验的设计人员，在参考一些相关算例的前提下，可以先对异形柱配筋再复核截面就显得更为简便，截而复核时可分 X轴和 Y轴均按 T型截面分别复核。不论是哪种计算方法，都可以参与 GB(500l0-2010)混凝上结构设计规范有关偏心受压构件的内容来进行计算。 6 工程实例 6.1 工程概况 某多层异形柱框架结构住宅，共-l+6 层(-l 为半地下自行车库)。建筑工程抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为 6度，设计基本地震加速度 0.05g，
13、设计地震分组：第一组；场地类别：类；特征周期 Tg=0.35s，异形柱框架结构抗震等级为四级，见图 l。 图 1 异形柱框架结构平面布置图 6.2 异形柱框架结构受力分析 梁宽与异形截面柱肢宽度相同时，楼盖的竖向荷载是从柱肢端部传至柱子上去的。对 L形截面柱，其截面形心与柱肢中轴线不重合，柱子为双向偏心受压构件。当水平荷载作用时，水平力也是从框架梁传至柱肢中轴线上，使柱产生扭转力矩。当柱肢较长时(肢长与肢宽之比大于 4)，应按开口薄壁杆件分析其受力状态，在柱肢轴线不通过柱截面弯曲中心的情况下，由弯曲扭转力矩的作用，柱截面产生扇性剪应力及扇性垂直应力(翘曲应力)，扇性剪应力通常很小，可以忽略不计
14、；而扇性垂直应力则相对较大，需要考虑，若达到很大的值时，按平截面假定去分析柱面应力可能会有一定的误差。因此，异形截面柱的截面应力要比一般矩形截面柱复杂得多，若用精确方法计算，计算工作量十分大。 在图中可见有“一”形异形柱，工程中“一”形异形柱不提倡使用，但在有些工程上缺了还不行，没办法可用扁平柱，其计算按矩形柱方法计算，截面宜按抗震规范 6.3.56.3.10 条要求处理。 (3)地震力系数放大，自振周期折减。因用异形柱导致结构刚度下降，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。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。折减系数
15、和抗震规范、高层规程是不同的，框架结构取 0.60.75；框架一剪力墙取 0.70.85。 (4)楼梯间和开大洞口区域的加强处理，加强楼梯间和开大洞口区域周边梁、板的刚度(高度、厚度)，增强结构的整体性；加强楼梯间和开大洞口区域周边梁、板的配筋，提高其承载能力，改善结构延性。同时在楼梯间和开大洞口区域角部集中配置斜向钢筋，防止洞口角部因应力集中而开裂。 (5)加强处理角部 L形异形柱。箍筋宜全段加密，肢长宜适当加长，纵向受力钢筋宜加强，这样对结构整体抗扭有较大的帮助。 (6)Z 形柱的处理，Z 形柱是由两个 L形柱组成的。在结构计算时可以按两个 L形柱进行内力及配筋计算。因为 z形柱受力较大时
16、易在中间肢劈开，劈开后(极限状态)其受力接近于两个 L形柱，故按两个 L形柱处理较为合理。 7 结语 随着我国国民经济的发展和城市居民生活水平的提高，人们对房屋建筑物的使用功能和安全性提出了越来越高的要求。钢筋混凝土异形柱结构以其不出现柱楞，增加有效面积，轻型节能等特点，符合我国墙体改革方向受到了广泛的应用。异形柱作为一种新型结构形式，与一般的矩形柱结构虽存在着共性，却又有着各自的特性，在设计过程中应根据异形柱的受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的柱网布置形式、合理的选形。计算分析及构造措施等方面准确、优质、高效的进行，正确掌握计算机分析方法加上人为分析，合理配置截面钢筋，确保设计质量和结构安全，使结构具有可靠的安全保证。从而使这种新型的结构形式得到更好的发展。 参考文献 1 严士超，康谷贻，王依群，等JGJ 149-2006混凝土异形柱结构技术规程s北京：中国建筑工业出版社。2006 2 赵基达，徐有邻，黄小坤，等GB 50010-2010混凝土结构设计规范S北京：中国建筑工业出版社，2010 3 黄世敏，王亚勇，丁洁民，等GB 50011-2010建筑抗震设计规范s北京：中国建筑工业出版社，2010
