浅谈异形柱结构设计中应注意的问题

关键词：异形柱结构；截面选形；轴压比控制；构造措施 

　　1　概述  

　　异形柱结构是大力推行住宅产业现代化而发展起来的新型住宅结构体系，已被列为当前我国住宅建设中五种主要结构体系之一。异形柱结构主要用于住宅、平面及竖向比较规则的一般民用建筑、别墅等。所谓异形柱结构，就是以T形、L形、十形的异形截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件构成的结构，以避免框架柱在室内凸出，少占建筑空间，改善建筑观瞻，为建筑设计及使用功能带来灵活和方便性。采用轻质高效的墙体材料，减轻结构自重。由于异形柱结构是我国自主创新的一种新型结构体系，一方面，现有的国内外试验研究和理论分析资料不及其他结构体系完善，且缺乏结构震害资料。另一方面，异形柱的特性较普通矩形柱更为复杂。因此，在工程设计中应特别注意，应根据异形柱特点合理进行异形柱结构设计。下面，笔者根据工程设计经验，对异形柱结构设计中应注意的问题作一些探讨，供同行参考。 　 

　　2　异形柱结构中应注意的问题  

　　2.1　结构布置和异形柱选形 

　　由于异形柱结构受力复杂的特殊性，首先在结构布置和异形柱选形上应注意。异形柱不同截面形状性能不同；相同截面形状但肢高与肢厚比不同时性能也不同；当所受荷载方向不同时性能又有差异；若截面形状不对称时性能更为复杂。因此，在结构布置时，除了严格遵守《砼异形柱结构技术规程》(以下简称《异形柱规程》)有关条文外，抗侧力构件力求合理均匀布置，减小结构布置的不规则性，避免产生过大的偏心和扭转，特别是异形柱框架一剪力墙结构。结构布置合理与否，将导致平面是否规则、偏心和扭转效应是否改善、对抗震是否有利的大问题。合理的结构布置根据建筑平面而定，如图1所示，由于平面形状为T形，楼梯间、电梯井位于中部连接部位，属于平面不规则结构，对抗震性能不利。在结构布置时，当楼梯间、电梯井布置为实体剪力墙，虽增强了连接部位楼梯间、电梯井楼板较大削弱处的刚度，但加大了扭转效应。将剪力墙均匀布置在周边，楼梯间、电梯井布置为开洞剪力墙和一般框架柱，既改善了结构扭转效应，使结构的周期比和位移比满足要求，也保证了楼梯间、电梯井薄弱处抗侧力构件的刚度，改善结构的整体受力性能。 

　　在结构布置时，异形柱选形也至关重要。试验和理论分析表明，异形柱截面中＋形截面承载力高于T形，T形又高于L形，L形截面柱抗震性能最差，尽量少用。如结构布置中基本为L形柱，在结构计算时很多指标难以算下。另外，宜采用等肢等厚异形柱。当不等肢时，两肢肢高比不宜大于1.6；不等厚时，肢厚差不大于50mm，且最小肢长不应小于500mm，最小肢厚不应小于200mm。工程中经常出现门边L形柱肢长小于500mm现象，此时建议将长肢加长为短肢墙，否则肢长小于500mm的异形柱附加偏心矩取值不符合规范要求，且对框架节点核心区不利。避免混合使用等肢和不等肢的异形柱，否则异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载方向不同会出现错综复杂的差异，对地震作用计算非常不利。 　 

　　2.2　异形柱轴压比控制和梁柱节点核心区计算 

　　异形柱轴压比控制和梁柱节点核心区受剪承载力计算是异形柱结构设计的两大特色。由于异形柱与矩形柱在截面特性、内力、变形及抗震性能上均有较大差异，《异形柱规程》专门针对异形柱结构特点制定了相应的条文规定，且比其他规程要求严格。例如6度区应进行地震作用计算及结构抗震验算，应进行梁柱节点核心区受剪承载力计算等。在结构计算中，我们应特别注意控制柱轴压比和进行梁柱节点核心区受剪承载力计算的条文规定。由于异形柱截面的特殊性，其抗震性能较弱，为满足国家抗震设防要求，保证结构体系具有足够的抗震延性，根据异形柱截面双向偏压柱的工作机理，分析影响各种截面形状柱的截面曲率延性的主要因素，通过分析框架位移延性与梁、柱构件截面曲率延性之间的相互关系及大量的电算分析，得到了在不同抗震等级下异形柱轴压比与配箍特征值的关系，据此给出了小于普通柱轴压比的异形柱轴压比限值。此限值是结构体系抗震性能的保证，设计中尤其注意应使构件满足此限值，特别是对一些平面不规则的结构更应严格控制。 

　　梁柱节点是异形柱结构的薄弱部位。由于节点的作用是将本层和上层荷载通过核心区传至下层柱中，其作用力为与节点相连的梁端和柱端弯矩、轴力、剪力、扭矩，受力非常复杂。矩形截面柱节点由于正交方向梁对节点核心区砼的约束作用，具有一定的受剪承载力，对非抗震和三、四级抗震等级节点，不用对节点核心区进行受剪力承载力计算，仅需满足抗震构造措施要求，只对一、二级抗震等级节点核心区进行受剪承载力计算。而异形柱框架节点却不同。由于异形柱截面的特点，正交方向梁截面的宽度与柱接触面积较小且偏置，对节点核心区砼难以达到约束。试验表明，同等截面面积的异形柱节点核心区受剪承载力低于矩形柱。由于异形柱剪压比与矩形柱相差3倍，容易在节点核心区产生阻压应力，使砼压坏，因此必须对异形柱框架节点核心区进行受剪承载力计算，无论是非地震区或地震区(包括高、低抗震区)均应计算，这是异形柱结构设计必须执行的强制性条文。首先限制节点核心区截面，避免截面太小砼承受过大的斜压力，导致核心区砼首先被压碎破坏。其次是控制节点核心区配箍面积，保证节点受剪承载力，改善节点的抗震性能。  

　　2.3　构造措施 

　　合理的结构设计构造措施是至关重要的。为了保证各构件间和内部传力直接、明确、合理，并具有足够的耐久性，必须采取构造措施。鉴于异形柱与矩形柱在截面、内力和变形、抗震性能等的差异，异形柱的构造措施要求更高，在结构设计中我们应注意以下几方面的构造问题。 

　　首先，我们应遵守异形柱肢厚、纵向受力钢筋直径和保护层厚度、全部纵向受力钢筋最大配筋率的规定。由于异形柱在低周反复荷载作用下受剪承载力比单调荷载作用下降低，主要是粘结破坏的影响。试验表明，随着反复荷载的施加，异形柱出现弯剪裂缝，随后在腹板内出现粘结裂缝，裂缝沿柱高进一步发展，砼保护层剥落，部分纵筋、箍筋裸露，纵筋与砼间出现相对滑移，翼缘与腹板纵筋间砼酥裂，丧失承载力。因此，保证异形柱的肢厚是保证钢筋的设置和钢筋与砼的粘结锚固长度。注意纵向受力钢筋直径和保护层厚度，避免直径过大造成粘结强度不足和节点核心区钢筋设置困难，直径太小在相同箍筋间距下s/d增大，使柱延性下降。而保护层厚度的规定是为了满足结构构件耐久性和受力钢筋有效锚固的要求。因异形柱截面尺寸不允许出现负偏差及保护层厚度对异形柱构件抗力影响的敏感性，必须遵守规程中保护层厚度的规定。由于异形柱肢厚有限，纵向受力钢筋的粘结强度较差，为减少粘结破坏和节点钢筋设置困难，规程规定了不同于矩形柱的纵向钢筋总配筋率。 

　　其次，遵守异形柱框架节点构造要求是保证节点安全可靠的重要措施。必须满足节点核心区箍筋的最大间距、最小直径、配箍特征值和体积配箍率最小值的规定，从而保证在荷载和地震作用下对节点核心区砼提供必要的约束并具有基本的抗剪能力。必须满足梁柱纵向受力钢筋在节点处的可靠锚固和粘结，从而保证梁端和柱端的弯矩、剪力、轴力、扭矩通过钢筋受拉及受压(和砼受压)传递到节点区，保证节点具有良好的工作和抗震性能。  

　　3　小结  

　　异形柱作为一种新型结构，与一般的矩形柱结构虽存在着共性，却又有着各自的特性。因此，在异形柱结构设计中应注意根据异形柱截面、内力、变形、抗震性能的特点，从结构布置及异形柱选形、异形柱结构计算分析及构造措施等方面准确、优质、高效进行设计，确保设计质量和结构安全。