关于异形框架结构设计的探讨

王艳艳

摘 要：本文首先对异形框架结构设计做了简单介绍，然后结合实例详细阐述了异形柱结构构造措施、异形柱框架的受力性能，分析了异形柱结构设计的计算方法，仅供广大工程设计人员参考

关键词：异形框架；受力性能；计算分析；设计构造

1 异形框架结构定义及结构体系

1.1异形框架结构定义

一般普通框架结构梁柱截面尺寸均比墙体及楼面屋面板厚度大，这样的建筑，室内墙角和顶棚处均有阳角凸出，既不美观也不方便使用。为克服这一问题，将框架梁柱截面设计成L形、T形及十字形，就较好地解决了这个问题。传统框架梁柱多为矩形，相对于此，以上所说的就是异形框架了。

1.2异形框架结构体系

异形框架结构系主要包括异形框柱与异形框梁。其中：异形框柱其实和剪力墙带端柱约束边缘挂件从截面角度看是非常的相似，我们把它称为带边缘壁柱的异性框架柱，水平剪力和竖向力主要由主框柱承担，边缘壁柱辅助框柱只承担了少量的竖向力，大多数承担的是水平剪力。边缘壁柱可以依据下面四个情况进行设置：在中间的框柱两侧同一个方向上设置；框柱的四面同时进行设置；在框柱的一侧进行设置；取用框柱的三个方向进行设置。异形框梁为在主框梁上边（ 下边， 或者上下边）加设边缘壁梁的框架梁， 框梁承担大部分剪力和弯矩， 边缘壁梁提高框梁的抗弯刚度， 承担部分竖向荷载引起的弯矩和水平荷载引起的剪力。根据计算和平面布置要求可以布置在框梁上边、下边， 或上下边同时设置。

2 异形框架结构设计要求

2.1节点设计要求

按满足被连接构件的受力特性要求，节点可分为两类：类型 1：结构承受重力荷载和一般风荷载，所连接的构件（梁、柱）主要按承载能力极限状态设计，要求节点满足所连接构件的承载力要求；类型 2：结构承受地震作用情况，要求节点满足所连接的构件在反复变型下进入非弹性而又必须维持一定的承载力的要求。对于矩形截面柱框架，一般情况下，1 类节点不要求对节点核心区进行受剪承载力验算，只须满足构造要求和配置一定数量的水平箍筋，2 类节点，对一、二级抗震等级必须对节点核心区进行受剪承载力验算并应满足抗震构造措施要求，对三、四级抗震等级则只须满足抗震构造措施要求。

2.2异形柱的设计要求

一是材料设计要求。⑴混凝土的强度等级不应低于 C25，且不应高于C50。⑵纵向受力钢筋宜选用高强的 HRB400、HRB500 级钢筋。二是截面设计要求。⑴异形柱截面各肢肢高、肢厚比不应大于 4，肢厚不应小于 200mm。⑵异形柱不应采用一字形和 Z 字形。⑶尽可能地避免短柱和极短柱，异形柱的剪跨比宜大于 2，不应小于1.5，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性。三是框架柱设计要求。⑴柱纵筋与箍筋设置形式有“L”、“T”、“十”及双排布置等形式。在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应大于 25mm，且不小于 14mm，纵筋间距大于 250mm 时，应设置纵向构造筋，其直径可采用 12mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。⑵柱截面厚度小于 200mm 时，纵向受力钢筋每排不应多于 2 根；肢厚在 200～250mm 时，每排钢筋不应多于3 根，必要时可分两排设置，两排钢筋之间的净距离不应小于 50 mm。⑶框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为Ⅱ级时，中柱、边柱不应小于 0.7%，角柱不应小于0.9%；抗震等级为Ⅲ级时，中柱、边柱不应小于 0.6%，角柱不应小于 0.8%。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率，抗震设计时，对Ⅱ级、Ⅲ级钢筋不宜大于 3%。⑷框架柱应采用复合箍，严禁采用具有内折角的箍筋，箍筋必须做成封闭式。箍筋末端做成不小于 135的弯钩，弯钩端头直段长度不应小于 10d（d 为箍筋直径）。⑸箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的 1/6 和 500mm 者中的最大值。在加密区内，箍筋的直径不变，间距为 100mm。

2.3框架顶层柱纵向钢筋的设计要求

由于异形柱柱肢宽度与梁相当，所以存在着梁筋与柱筋交接处较密集的问题。《规程》根据国家标准《混凝土结构设计规范》第 11.6.7 条规定并考虑异形柱的特点，顶层端节点柱外纵向钢筋沿节点外边和梁上边与梁上部纵向钢筋的搭接长度增大到 1.6 LaE（1.6 la），但伸入梁内的柱外侧纵向钢筋截面面积调整为不宜少于柱外侧全部纵向钢筋截面面积的 50%。在目前没有异形柱结构标准图集的情况下，设计人员应在结构设计总说明中予以注明，以免发生施工错误。

2.4轴压比的设计要求

在目前设计过的工程中，由于各地建筑主管部门的严格控制，异形柱结构的适用高度一般不高，异形柱的轴压比不会太大，一般可控制在比普通柱结构规范规定的限值小 0.3 的水平。另外，不同的柱截面形式，如 L形、T 形、十字形，在相同水平侧移下，其延性性能也有较大差异，对双向对称的十字形，轴压比限值可适当放宽，而双向均不对称的 L 形就應严格控制，T 形次之，这与结构布置中的角柱轴力小，布置 L 形，边柱，布置 T形，中柱轴力大，布置十字形基本吻合。

2.5节点核心区受剪承载力设计要求

由异形柱的截面特性，决定了梁柱节点核心区域面积较小，而梁柱纵筋交汇使得箍筋配置不可能太多。为了满足抗剪承载力的要求，只能提高混凝土的标号，但随之带来的问题是构件变脆，同时与梁板混凝土强度的协调也成问题，有时为了个别柱的需要，而使全部柱的混凝土标号提高，也造成了投资上的浪费。为了解决这一问题，我们在已建成的工程中采用了在节点核心区的柱内加竖向钢板的方法，钢板伸过节点核心区上下一定的长度锚固，按钢板与混凝土协同工作来计算分析，确定钢板的截面尺寸。

3 设计实例

3.1工程概况

某建筑，地下一层（层高 4.9 m），地上 12 层（层高 2.8m），顶层为坡屋顶，总层高为 2.8×11+5.7=36.5 m。经过研究讨论，该工程确定采用异形柱框架结构设计，地下本工程抗震设防烈度为 7 度，异形柱框架结构的抗震等级为三级，异形柱结构弹性层间位移角限值为 1/600，弹塑性层间位移角限值为 1/60，轴压比限值：L 形0.60，T 形 0.65，十字形 0.70。

3.2平面布置

（1）鉴于异形柱受力复杂且抗震性能不好，能采用矩形柱的地方优先采用矩形柱，对于卧室等对空间有要求的地方采用异形柱。

（2）设计时应和建筑师商量尽量使纵横柱网轴线对齐拉通，震害表明柱网轴线不对齐不能形成完整的框架，可能因扭转效应和传力路线中断等问题引发严重震害。

（3）对于异形柱结构 L 形柱宜采用两肢等长，但是由于建筑方案地下室一侧为停车库，为了保证车子出入的宽度，这一排异形 L 柱均采用不等长的柱，但保证两肢肢高比不超过 1.6。

3.3其他方面

顶层托斜层顶的柱，规程没涉及，它所受轴力、弯矩均不大，柱本身强度没问题，关键是顶部结构的整体性能。设计人员自动把握抗震设计的异形柱结构不应有的错层，原因是避免形成短柱，但楼梯处容易形成短柱，所以，在楼梯间两侧布置剪力墙或用方柱，其他地方可用异形柱，原则上在不影响美观和使用功能时，能用方柱尽量用方柱。

4结束语

总之，异形柱框架结构将会更加广泛应用于住宅建筑中，结构设计人员应充分了解异型柱的受力性能，正确把握设计要点和计算分析，满足规范要求的各种构造措施，才能够确保工程结构安全可靠、经济合理。