异形柱结构设计问题综述

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1概述

住宅开发商及用户对建筑住宅中柱甚至主梁不突出墙面的呼吁，日益高涨，从而极大地推动了柱截面形式的变革，促使异形柱结构的诞生，并在全国广大地区蓬勃发展。异形柱指的是除矩形、圆形以外的截面形式，如T形、十字形、形等截面形式它的优点是，柱肢基本与填充墙等厚，使室内不出现柱楞，便于室内灵活布置，又可增加使用面积。异形柱结构分为异形柱框架结构和异形柱框架一剪力墙结构，各种结构各有不同的适用高度，且均比普通柱结构要求更严。

2异形柱的受力性能

2．1承载能力

异形柱不同于矩形柱，它由多肢组成，柱肢截面高度与柱肢宽度的比值一般在2～4，墙肢平面内外2个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异。

2．2变形特征

一般住宅的层高在2_8～3．0m，异形柱肢厚在200mm左：占，异形柱为了获得足够的承载力，肢长一般不会太小，这就容易造成柱剪跨比过小，形成短柱(柱净高H／柱肢长h小于4)，以剪切变形为主，构件变形能力下降。即使存在轴压比较小的柱H／h>4，由于异形柱属薄壁构件，也会因截面曲率M／EI或ecufX(ecu为混凝土的极限压应变，x为截面受压区高度)较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。

2．3破坏机理

异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心混凝土协调变形，这种变形协调，使各柱肢内存在比较大的翘曲应力和剪应力。而该剪应力的存在，使柱肢极易先出现裂缝，即产生腹剪裂缝，使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，导致异形柱脆性增加，使得异形柱较普通截面柱变形能力低。同时，异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差，不对称截面导致不对称延性。当荷载作用在腹板平面内，翼缘在受拉侧，异形柱小偏压脆性破坏；翼缘在受压侧时，异形柱大偏压延性破坏。由国内外大量的试验资料和理论分析表明，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等。影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、剪跨比、配箍率以及箍筋问距S与纵筋直径d的比值等。异形柱由于其截面的特殊性及受力性能的复杂性，在设计中，必须通过可靠的计算分析和必要的构造措施，来保证其强度和延性。

3异形柱的计算分析

3．1计算方法

在低烈度区，且水平力作用在截面对称轴内时(如异形柱为十字形)，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按混凝土设计规范计算。而在高烈度区，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，应选用带有异形柱计算功能的软件，如中国建筑科学研究院的TAT，SATWE程序等。TBSA软件不能直接输入异形柱的截面形式，需按柱子双向刚度相等原则，将异形截面简化为矩形截面，但此时存在面积误差，同时，柱截面形心主轴的角度也发生了变化，进而影响构件内力的计算及其它计算结果，同时柱的定位、梁的计算长度，都存有问题。TAT，SATWE程序可直接输入异形柱的截面，不存在这一类问题。在计算异形柱的刚度时，以其主形心的主轴坐标为参考点，求出异形柱主形心惯性矩，与之相连的梁的刚度也均向异形柱主形心叠加。计算时，按材料力学的经典公式，求出各种异形截面在主轴的惯性矩和方向角，并建立主轴的单元刚度，与梁元刚度、墙元刚度一起，参与结构的整体分析，分析更为合理。

3．2计算模型

由于在实际工程中，所布置的竖向构件往往不全是异形柱，其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙(一般剪力墙或部分短肢剪力墙)，形成异形柱框架一剪力墙结构。在这类结构的计算模型输入时，有的设计人员常会把异形柱，按短肢剪力墙输入，有的甚至将异形柱框架结构的全部异形柱，按短肢剪力墙输入，这样势必造成计算误差，而且发现有些构件的误差会影响结构、构件的安全。如框架梁，按异形柱输入的，粱长取两端异形柱形心长度；而按短肢剪力墙输入的，梁长取墙肢端点长度，两种方法引起梁内力、配筋有较大出入。下面举例分析2种输入方法引起的自振周期、地震作用及结构侧移，结构内力的差异。例：某结构柱网尺寸为4．2rex4．2m，平面布置见图1。共4层异形柱框架结构，层高3．0m，8度，Ⅱ类场地，主梁200mmX500mm，次梁200mmX400mm，混凝土强度等级C25，楼面静、活荷载标准值分别取4．5kN／m，2．0kN／m，梁上墙的线荷载标准值取7．5kN／m。模型1全按异形柱形式输入，模型2周边异形柱按短肢剪力墙形式输入。用TAT软件进行抗震分析比较，结果见表1。计算结果反映出：按短肢剪力墙形式输入的模型2，同模型1相比，自振周期小了10．4％，地震作用大了15．2％，结构侧移小了32％，结构内力均较模型1小。算例分析表明，不同的计算模型无论对异形柱结构体系的自振周期、结构侧移，还是基底弯矩和剪力、梁柱内力都产生了很大的影响。因此，在实际工作抗震分析时，需要注意以下几点：①对于肢长与肢宽之比不大于4的异形柱，由于它已接近柱的特征，应采用异形柱形式输入；②对于肢长与肢宽之比稍大于4的，不应采用过高的轴压比，宜接异形柱套用。另外，建议对异形柱结构体系，宜采用2种不同计算模型的软件(如TAT，SATWE)进行计算分析，以便校核。

4轴压比的控制

对框架结构，框一剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重要的作用，且轴压比又是影响混凝土柱延性的一个关键指标，柱的侧移延性，随着轴压比的增加而急剧下降。在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制，对柱的延性影响至关重要。特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使混凝土柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致柱脆性增加，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。在目前设计过的工程中，由于本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O_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形就应严格控制，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。

5结构构造

5．1配筋构造

在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较人应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大了肢端压应力。因而在异形柱配筋时，纵向受力钢筋应按计算所需，集中布置在肢端和柱肢交接的内折角区域，其余部位均匀设置间距不大于200mm的构造钢筋，直径可用14mm，并设拉筋，拉筋直径和间距可同柱箍筋，这样可限制柱肢的混凝土裂缝的开展，提高异形柱局部抗剪强度及变形能力。柱箍筋由计算确定，箍筋的设置不仅能抗剪，也可约束混凝土变形，增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，因而箍筋可用4,8，4,10，其间距可比普通柱箍筋间距小。

5．2其余构造

5．2．1材料要求

(1)混凝土的强度等级不应低于C25，且不应高于C50。C50级以上的混凝土在力学性能等方面，与一般强度混凝土有着较大的差异；

(2)纵向受力钢筋宜选用高强的HRB400，HRB335级钢筋。高强钢筋的采用，使钢筋直径不至于过大，且减少了根数便于布置；若钢筋直径过大，则会造成锚固和节点构造的施工困难。

5．2．2截面要求

(1)异形柱截面各肢肢高、肢厚比，不应大于4，肢厚不应小于200mm。肢厚小于200mm时，会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，难以保证结构的安全且施工不便。

(2)异形柱不应采用一字形和z字形。一字形截面柱由于柱肢薄且没有翼缘的约束，平面外刚度较差，特别是一侧搭梁时，在地震作用下极易产生破坏。z字形截面柱受力复杂，柱肢存在翘曲应力和剪应力，柱腹板还存在较大的扭矩作用，易造成复杂应力作用下的破坏。(3)尽可能地避免短柱和极短柱，异形柱的剪跨比宜大于2，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性。

6节点核心区受剪承载力

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。最终设计的结果是钢板截面尺寸较小，不影响梁柱钢筋的布置，且钢板设置灵活，哪里需要哪里加。该工程已建成使用，效果较好。

7结语

异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形(圆形)柱结构不同，设计中应根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构布置形式及计算模型，正确掌握计算机分析方法和结构构造，保证结构的安全可靠，以便促进这种有着较大市场需求的异形柱结构体系的健康发展。