浅议如何对异形柱框架进行结构设计:异形柱结构设计规范
时间：2019-04-16 03:15:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：本文笔者结合多年的设计实践经验,针对钢筋混凝土异形柱框架结构设计及其一些要点进行了分析探讨。 关键词：异形柱框架 结构设计 计算分析 1、前言
随着人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高,从而对建筑设计布局有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔己越来越不能被房屋使用者所接受,因为它直接影响到室内家具的布置及空间的使用。建筑师要求结构工程师配合解决这个问题,因而在框架结构中以异形截面柱代替矩形柱。所谓异形柱是相对于通常的矩形截面柱而言的,是指截面各肢长与肢厚之比不大于4的截面形状为“Ｔ”形、“十字”形、“Ｌ”形、“Ｚ”形的钢筋混凝土柱。钢筋混凝土异形柱框架结构是指仅由异形柱作为竖向构件组成的结构体系,它有如下特点:
(1)具有一般矩形柱框架结构整体性较强,抗震延性好的优点。
(2)兼有砖混结构的优点,且又有效解决了砖混房屋超高的技术问题。因此特别适用于联排别墅、高档多层住宅等。
(3)因墙体厚度一般与异形柱肢厚相同,室内不出现柱楞不露梁,使用面积能增加8%～10%。既改善了建筑功能,也提供了大空间及住户拆改装修的便利条件。
(4)由于填充墙推荐采用粉煤灰、加气混凝土砌块等非粘土质新型轻质墙体材料,使得造价能低于普通框架结构约10%～15%。
与消耗耕地的粘土砖混结构体系相比,异形柱框架结构体系优势明显,是砌体结构较好的替代品,因此具有很好的推广价值和广阔的市场前景。但是,在结构设计中,目前现行国家规范或规程中尚未给出异形柱框架结构设计的专门条款,供设计人员参考的资料也很有限。笔者在对省《钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程》（以下称作《规程》）的理解基础上,参考有关文献,结合工程实践,进行归纳总结,提出建议。
2、异形柱框架结构体系布置
2.1 适用条件
本着安全适用、技术先进、经济合理的设计原则,异形柱框架结构型式适用于地震烈度7度及以下地区的民用房屋,尤其适用于带错层、跃层的多层复杂住宅和小高层。《规程》关于异形柱框架结构的适用条件为:7度区总高度不超过24m,总层数不超过 8层;6度区总高度不超过35m,总层数不超过12层。超过此限制标准时的小高层, 建议采用短肢剪力墙结构。
2.2 结构布置
在工程设计实践中,异形柱常用截面形式有“L”“T”“十”型等,特殊形式还有“Z”型和“一”型。在考虑满足建筑功能要求的前提下,体系以力求布局合理、刚度均匀、力求均衡、减少扭转为布置原则。因此异形柱的合理布局是整个结构布置的关键。柱布置时,宜规整对齐,并按“密柱小梁”的布置思路,平面节点(轴线交叉点)应尽量设柱,避免主次梁搭接。柱间距一般在3m～6m之间取值(柱网尺寸不应大于6.0m×6.0m);柱应双向拉结,以形成双向刚接框架。
对底层大空间的异形柱框架体系,转换层下的支承柱不允许采用异形柱,应全部采用矩形柱。对底层架空层抽柱形成转换层的情况,要求楼板厚度≥150mm;上层异形柱与下层矩形框架柱面积比宜接近1;上层异形柱与下层矩形柱的重叠面积不应小于2/3。
值得注意的是:在结构平面布置时,有时因为建筑布局的功能、美观要求,只能设置“一字形”柱,且仅能保证一个方向有框架梁通过,此时在另一方向应沿柱肢宽增设暗梁,来保证柱平面外的刚度与稳定,且一字形柱的宽度不应小于300mm。
2.3 构件尺寸限制
(1)柱肢宽度,一般取与墙体相同的厚度(如200mm),不低于180mm和不超过250mm。若肢宽偏低会造成施工困难,偏高则导致柱体笨拙不经济,也可能造成短柱或剪跨比超限。
(2)肢长根据2≤肢厚比(肢长/肢宽)≤4的控制指标进行确定,且肢长不宜超过600mm。(考虑角柱扭转明显,肢长应取高值,且箍筋全长加密)。此外,异形柱剪跨比也要控制在2～4范围内。控制肢长或肢厚比的目的在于:当异形柱肢长增大时,柱刚度增大,受震害越大,因而对结构受力性能不利。若肢长过大,异形柱还可能形成短柱,使得柱肢端部受力过于集中而发生失稳破坏。因此,当异形柱肢厚比超出限制,建议改按剪力墙考虑。
(3)框架梁截面高度,尽量满足室内不露梁要求,但不应小于梁计算跨度的1/15,且不宜小于350mm。梁宽不小于柱肢宽及200mm。
2.4 材料选用
目前,外墙采用非承重砌体,内墙采用轻质板材,推广使用非粘土质新型墙体材料。常用轻质墙体材料主要有ALC砌块(板)、JYM页岩模数砖、砼空心砌块等,容重应≤29kN/m2。钢筋常用 HRB335、HRB400级。异形柱的混凝土强度等级不应低于C25,常用C30。
3、异形柱框架结构计算分析与参数控制
3.1 计算模型
对于柱、异形柱、短肢剪力墙和剪力墙等竖向构件,从截面构造上划分,比较统一的认识是:设肢截面高为h,宽为b,当矩形截面1≤h/b≤3且 h、b≥300mm时为柱;当异型截面3 相应地,结构整体分析应选用具有异形柱单元的计算程序采用进行。在工程设计中,通常采用 PKPM系列之《多高层空间有限元分析软件 SATWE》进行结构分析,计算精度较高。当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA5.0)计算异形柱结构时,可按开口薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱结构体系而言,由于异形柱截面不对称,其受力特点及抗震性能,与工程中常用的矩形柱有很多不同之处,现阶段对这方面理论分析和试验研究的资料不多,截面承载力计算还不能完全套用规范中的有关计算公式,设计条件受限。因此有许多文献建议设计中采用两种不同计算模型的软件进行计算比较,以便校核。在应用 TBSA5.0 软件计算异形柱框架结构时,一般是将异形柱截面换算成等惯性矩的矩形柱进行计算分析。在等效换算过程中,必须遵循按面积等效换算后的矩形柱刚度比与异形柱刚度比一致的原则。
3.3 参数选择
SATWE软件应用时,以下几个参数选择很关键:(1)框架抗震等级:6度区H≤22m时,四级;6度设防区房屋高度H>22m、7度区H≤22m时,三级;7度区H>22m时,二级。(2)梁柱刚性连接:电算时应注意:由于混凝土异形柱的柱肢较长,梁柱重叠部分较大,因此须点取“梁柱重叠部分作为刚域”选项进行计算;(3)柱双偏压:异形柱是双偏压杆件,须采用双偏压计算。(4)调整系数:现浇结构中梁刚度放大系数2.0,边梁刚度放大系数1.5;框架结构周期折减系数0.6～0.7。(5)对全楼强制采用刚性楼板假定。
3.4 计算结果合理性判别
内力与位移计算全部由程序完成,计算结果是否合理,以下三个参数必须满足:(1)位移:异形柱框架结构按弹性计算方法,楼层层间位移与层高之比(△u/h)应不大于1/550。(2)周期:要求结构以扭转为主的第一自振周期Tt与以平动为主的第一自振周期T1之比Tt/T1
