摘要：本文闡述了異形柱框架結構與矩形拄框架結構在設計中的部分差異，并簡要介紹了異形柱框架結構在SATWB軟件中有關粱柱節(jié)點域的處理方法，同時將作者在設計異形柱框架結構中的學習心得與廣大設計人員共同探討。

　　關鍵詞：異形柱框架結構；矩形柱框架結構；SATWE；節(jié)點域

　　1、前言

　　隨著人們對房屋平面與空間布置的要求越來越高，從而對建筑設計布局有了新的要求。普通框架結構的露梁露柱對建筑平面與空間的分隔己越來越不能被房屋使用者所接受，因為它直接影響到室內(nèi)家具的布置及空間的使用。建筑師要求結構工程師配合解決這個問題，因而在框架結構中以異形截面柱代替矩形柱。

　　在此，筆者擬與廣大設計人員共同探討一下混凝土異形柱框架結構的設計與應用。

　　2、異形柱結構的設計與應用

　　2.1異形柱及異形柱結構的定義

　　2.1.1《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》（GJ149-2006）對異形柱的定義是：截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比（柱肢截面高度與厚度的比值）不大于4的柱。L形截面柱多用于墻的轉角部位，T形和十字形截面柱多用于縱橫墻交接處。

　　2.1.2所謂異形柱框輕結構即是由異形（T型、L型、十字型）柱組成框架，由輕質填充墻所形成的結構。根據(jù)建筑布置及結構受力的需要，異形柱結構中的框架柱，可全部采用異形柱，也可部分采用一般框架柱。建設部在1996年11月發(fā)布的文件中，對其特點做了如下闡述：

　　1）由T形邊柱、十字形中柱、L形角柱組成的框架：

　　2）填充墻與柱壁同厚，室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞：

　　3）因墻體減薄與磚混結構相比，可增加使用面積8％～10％；

　　4）填充墻的墻體材料可根據(jù)當?shù)乇�溫隔熱要求，因地制宜，就地取材�?/p>

　　2.2異形柱框架結構與矩形柱框架結構在設計中的差異

　　2.2.1對于相同烈度和結構類型的兩種體系而言，異形柱結構適用的房屋最大高度有較大幅度的降低。

　　2.2.2對于相同結構類型的兩種體系而言，異形柱結構彈性層間位移角限值、彈塑性層聞位移角限值更加嚴格一些。

　　2.2.3鋼筋混凝土房屋應根據(jù)烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級。對于相同烈度和結構類型的兩種體系而言，異形柱結構抗震等級的確定方法更加嚴格一些，其在房屋高度的取值上降低了數(shù)值。

　　2.2.4抗震設計時，扭轉不規(guī)則的異形柱結構，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的比值不應大于1.45；而矩形柱框架結構的該比值為1.50。

　　2.2.5抗震設計時，對于相同結構類型的兩種體系而言，異形柱的軸壓比限值均有不同幅度的降低，意味著其要求更加嚴格。

　　2.2.6異形柱結構的地震作用計算，一般情況下，應允許在結構兩個主軸方向分別計算水平地震作用并進行抗震驗算，各方向的水平地震作用應由該方向抗側力構件承擔，7度（0.15g）及8度，（0.20g）時尚應對與主軸成方向進行補充驗算。

　　2.3異形柱框架結構在SATWE中的設計與應用

　　能夠有效地分析帶有混凝土異形柱的結構并進行截面配筋設計，這是SATWE軟件的特點之一。在梁的剛度、荷載、及截面配筋計算時，充分考慮了異形柱框架結構的特殊性。由于混凝土異形柱的柱肢較長，梁、柱在節(jié)點處的重疊部分較大，合理的力學模型簡化應將重疊部分作為剛域，自重計算時不應重復計算重疊部分的混凝土重量，SATWE軟件中對梁考慮了這樣的力學模型簡化：

　�。�1）梁的計算按扣除剛域后的梁長計算：

　�。�2）梁上的外荷載按梁兩端節(jié)點間長度計算；

　�。�3）截面設計按扣除剛域后的梁長計算；

　　（4）梁端剛域的計算原則如下：

　　記梁兩端與柱的重疊部分長分別為Di和Dj，梁長為L（即兩端節(jié)點問的距離），梁高為H，則梁兩端的剛域的長度分別為Dbi＝Ma×（0，Di H/4）

　　Dbj＝Ma×（0，Dj—H/4）

　　扣除剛域后的梁長為：LO＝L－（Dbi＋Dbj）

　　2.4異形柱結構構造的設計心得

　　2.4.1《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，異形柱結構框架梁截面高度抗震設計時不應小于400mm.當節(jié)點的非彈性變形較大時，貫穿節(jié)點的柱縱向鋼筋粘結退化與滑移加劇，甚至出現(xiàn)沿節(jié)點區(qū)柱縱向鋼筋全長粘結破壞、現(xiàn)象發(fā)生。為保證其粘結應力不致過大，避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，規(guī)定梁的高度、即節(jié)點高度不能太小。異形柱結構框架節(jié)點鋼筋粘結條件可能不如普通框架節(jié)點鋼筋粘結條件，故務必遵守此條規(guī)定。

　　2.4.2《異規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，異形柱截面的肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm.這是因為肢厚較小時，會造成梁柱節(jié)點核心區(qū)的鋼筋設置困難及鋼筋與混凝土的粘結錨固強度不足，故限制肢厚不應小于200mm，以保證結構的安全及施工的方便。而限制肢高一方面為了滿足伸入柱內(nèi)的梁縱向鋼筋錨固長度，另一方面是考慮柱雙向正截面承載力要求和雙向受剪性能的要求。

　　2.4.3《異規(guī)》第6.3.5.1條規(guī)定，抗震設計時，對二、三級抗震等級，貫穿中柱的梁縱向鋼筋直徑不宜大于該方向柱肢截面高度hc的1/30，當混凝土的強度等級為C40及以上時可取1/25，且縱向鋼筋直徑不應大干25mm.矩形柱框架的框架梁縱向鋼筋伸入節(jié)點后，其相對保護層一般能滿足，而異形柱的c/d大部分僅為2.0左右，根據(jù)變形鋼筋粘結錨固強度公式分析對比可知，后者的粘結能力約為前者的0.7.為此，規(guī)定抗震設計時，梁縱向鋼筋直徑不宜大于該方向柱截面高度的1/30.由于粘結錨固強度隨混凝土強度的提高而提高，當采用混凝土強度等級在C40以上時，可放寬到1/25。

　　2.4.4《異規(guī)》第6.3.5.4條及表6.3.5給出了異形柱結構框架梁梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率。這比《抗規(guī)》第6.3.3條規(guī)定的梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不應大于2.5％要嚴格。這是因為，在地震作用組合內(nèi)力作用下，梁支座處縱向鋼筋有可能在節(jié)點一側受拉，另一側受壓，對于異形柱框架梁柱節(jié)點更易引起縱向鋼筋在節(jié)點核心區(qū)的錨固破壞。為保證梁支座截面有足夠的延性，設計時不考慮縱向鋼筋的受壓作用。為此，對二、三級抗震等級的框架梁可根據(jù)單筋梁滿足的條件來確定梁縱向受拉鋼筋最大配筋率。以C30混凝土，HRB335鋼應的混凝土強度等級和鋼筋級別得出的。

　　2.4.5異形柱全部縱向受力鋼筋的配筋率，抗震設計時不應大于3％。這是因為異形柱肢厚有限，柱中縱向受力鋼筋的粘結強度較差，故將縱向受力鋼筋的總配筋率由對矩形柱不大于5％降為不應大于3％，以減少粘結破壞和節(jié)點處鋼筋設置的困難。

　　3、工程算例

　　3.1工程概況某多層異形柱框架結構，共6層。地震烈度為7度（設計基本地震加速度為0.15g），框架抗震等級為三級。

　　3.2設計心得

　　3.2.1在設計該結構時，最初將混凝土強度等級定為C30，但是計算得到的異形柱軸壓比超過規(guī)范規(guī)定限制，同時梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率超過《異規(guī)》表6.3.5的要求。雖然對樓板而言，采用C30混凝土是可以的，但考慮到梁板柱的施工問題，同時為滿足異形柱軸壓比以及梁端縱向受拉鋼筋最大配筋百分率的要求，最終將梁板柱的混凝土強度等級全部改為C40。不過考慮到混凝土強度等級較高時樓板易開裂的問題，在樓板設計中采取必要的抗裂措施。

　　3.2.2從中可以看出，有Z形、W形柱，這里介紹一下這兩種柱的處理方法。

　�。�1）Z形柱，是由兩個L形柱組成的。在PMCAD輸入時按兩個L形柱來輸入并進行內(nèi)力及配筋計算。因為Z形柱受力較大時易在中間肢劈開，劈開后（極限狀態(tài)）其受力接近于兩個L形柱，按兩個L形柱處理較為合理。此時兩個L形柱間的梁會困剛度太大而超筋，因為實際上無此梁，只是有限元計算時兩柱問有聯(lián)系必須有此梁，故不必管。

　�。�2）W形柱，計算及配筋時是按T形柱考慮的。只是由于建筑布置的要求，此處垂直搭接至T形翼緣上的梁的梁端鋼筋錨固長度，由于翼緣厚度只有200mm，不能滿足要求。故在此處增加一部分混凝土，該部分按構造配筋，就是為了解決梁端鋼筋錨固長度的問題。

　　通過該結構的設計，本人意識到為保證結構安全，結構構造在整個設計過程中起著非常重要的作用。尤其對于異形柱結構而言，實際上是梁柱節(jié)點域的設計。

　　總之，異形柱框架結構有著較大的市場需求，在設計中根據(jù)其受力特點，充分了解其破壞機理，選用合理的柱網(wǎng)布置形式，正確掌握計算機分析方法加上人為分析，合理配置截面鋼筋，使結構具有可靠的安全保證。