异形柱框架结构设计

摘 要：在介绍钢筋混凝土异形柱框架结构特点和设计计算方法的基础上，结合《混凝土异形柱技术规程》（JGJ149—2006）及《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），探讨异形柱框架结构设计的特殊规定、要求。
关键词：异形柱；框架结构；抗震规范
Abstract: On the basis of introducing the steel reinforced concrete special shaped column frame structure characteristics and design calculation method ,combined with “the concrete special-shaped column technical regulations " ( JGJ149 - 2006 ) and " the buildings seiic design code " ( GB 50011 - 2010 ), this paper discusses on the special-shaped column frame structure design special regulations and requirements.
Key words: special-shaped column; frame structure; seiic design code
2095-2104（2012）

1 概 述

近年来，随着人们物质文化生活水平的提高，人们对住宅建筑使用要求也在日益提高。当今人们对住宅建筑，除了满足最基本的功能要求外，对室内的美观及使用的舒适度要求也越来越高。普通的矩形框架柱一般都比填充墙体要厚，凸出的柱角很大一部分露在房间内部，使室内布置和家具摆设受到一定的限制，特别是小面积住宅更显影响。此外，外露的柱角也会影响、减少建筑的有效使用面积。普通剪力墙结构虽然不会出现“柱楞”，但其对建筑空间的严格限定与分隔，使建筑空间不能灵活改变。人们普遍希望住宅既能像剪力墙结构一样房间内部四角平整光滑、整齐美观，又能像框架结构一样，可拆除填充墙体，灵活布置房间内空间，于是异形柱框架结构便应运而生。
2异形柱框架结构的特点
2.1异形柱截面形式不同于普通框架柱的方形、矩形、圆形，而通常为“L、T、+”等异形柱截面，其截面各肢的肢高肢厚比不大于4。异形柱各肢肢长可能相等，也可能不相等，但提倡采用等肢异形柱。当不得不采用不等肢异形柱时，柱两肢的肢高比不宜超过1.6。异形柱在满足受力的前提下，肢厚宜与相连填充墙等厚，若比相连填充墙体厚，出现柱楞，则将失去美观、使用方便的基本意义。
2.2 与普通框架相比，异形柱框架结构总体侧向刚度较小，竖向整体显得较柔。异形柱截面有一根对称轴或无对称轴，对荷载方向较敏感，抗扭刚度较差，因此异形柱抗扭能力较普通框架差。异形柱框架中的梁柱截面较薄，施工时不易捣实，再加上梁柱交接处应力集中，削减了节点核心区的体积，使节点抗剪承载力降低。
2.3 异形柱框架结构的平面布置，除应遵守一般框架结构的构造措施、相关规定、设计要求外，还应综合考虑自身的特点，注意以下几方面的问题：
2.3.1 平面布置宜尽量对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；

2.3.2 考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接；

2.3.3 各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则、多跨的抗侧力体系，

2.3.4 异形柱应重点布置在房屋中影响使用的墙角部位，其它部位从受力合理和施工方便两个方面考虑宜采用矩形截面柱。这样兼顾了使用和安全两个方面，充分发挥了异形柱使用和受力的特点。
3异形柱框架结构设计方法
异形柱框架结构设计已有了一段时间，通过了多年的实践之后，现已经颁布了统一的国家规范。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，异形柱的计算方法遵循以下规则：

3.1 确定结构布置形式

异形柱框架结构一般采

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用规则的结构方案，这个是为了满足抗震概念的设计要求。规则结构有利于减少偏心，刚度和承载力均匀分布的优点。当根据建筑功能需要设置底部大空间时，可通过框架底部抽柱并设置转换梁，形成底部抽柱转换层的异形柱结构。不落地的框架柱应直接落在转换层主结构上。托柱梁应双向布置，可双向均为框架梁，或一方为框架梁，另一方为托柱次梁。

3.2 确定结构抗震等级

对于有抗震设计要求的异形柱框架结构，应该根据抗震设防烈度和房屋高度确定结构的抗震等级，并据此对其进行相应的结构验算、设置构造措施。

3.3 极限状态设计

对于居住建筑，其异形柱框架结构的安全等级应采用二级，设计使用年限不应少于50年。结构计算应该进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算和验算。应根据结构的地震作用，竖向荷载，风荷载的最不利效应组合对异形柱进行正截面、斜截面、梁柱节点承载力进行验算。

3.4 结构分析模型和计算

利用弹性方法计算异形柱框架结构在竖向荷载、风荷载和多遇地震作用下的内力和位移。框架梁及连梁等构件可考虑在竖向荷载下梁端局部塑性变形引起的内力重分布。异形柱框架结构应采用空间杆系模型或其他组合有限元等分析模型。计算其结构内力及位移时，可检测定楼板在其自身平面内为无限刚性，并应在设计中采取措施保证楼板平面内的整体刚度。

3.5 截面计算

异形柱框架结构的异形柱应进行双向偏心受压正截面承载力计算、双向偏心受拉正截面承载力计算、斜截面受剪承载力计算以及梁柱节点核心区受剪承载力计算。当处于抗震地区时，应考虑地震作用组合的影响。
4结合《异形柱规程》及《抗震规范》探讨异形柱框架结构设计的特殊规定、要求。

4.1 异形柱框架结构的最大适用高度

由于异形柱框架结构是一种较新型的结构形式，只经过十余年的实践。综合考虑现有的理论研究、实验研究成果及设计施工经验，其房屋适用的最大高度较一般的混凝土框架结构有所降低。现就将《混凝土异形柱技术规程》与《建筑抗震设计规范》对比如下:

4.2异形柱框架结构的抗震等级

由于异形柱框架结构的抗震性能相对于普通混凝土框架结构房屋较弱，异形柱框架结构的抗震等级相对也交严格，相应《混凝土异形柱技术规程》的抗震等级分类也较《建筑抗震设计规范》更为详细，现就将《异形柱规程》与《抗震规范》有关于抗震等级分类的对比如下表

2、表3:

当为7度(0．15g)时，建于Ⅲ、Ⅳ类场地的异形柱框架结构，应按提高一个级别采取抗震构造措施，按“表3”中括号内所示的抗震等级形式来具体表达。

4.3 异形柱框架结构的水平位移限值

由于异型柱框架结构的特殊性，《异型柱规程》对异型柱框架结构的弹性层间位移角限值也较《抗震规范》严格，现比较如下：
（表中括号内的数字用于底部抽柱带转换层的结构）

5 结束语

异形柱框架结构有着较大的市场需求，广大建筑结构设计人员应积极地去理解及应用《混凝土异形柱技术规程》。只有理解异形柱框架结构的受力破坏机理，选用合理的结构平面布置，正确掌握规范进行计算分析、截面配筋设计和处理好一系列的结构构造，才能保证设计出来的异形柱框架结构安全、可靠。
参考文献
【1】JGJ149—2006, 《混凝土异形柱技术规程》。
【2】GB 50011—2010, 《建筑抗震设计规范》。
【3】2007年4月1日, 《混凝土异形柱结构技术规程理解与应用》，严士超。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。