2018年一级注册结构工程师《基础知识》考点：异形柱应用

　　异形柱在小高层住宅中的应用

　　无锡广瑞花园小区工程位于无锡市广勤路的北侧。小区由8栋住宅楼组成，最低7层，最高11层。该地区抗震设防烈度为6度，设计地震加速度为 0.05g，地震分组为第一组,Ⅲ类场地土;基本风压为 0.45KN/m2;地下为1层联体地下室，基础采用梁板式筏基。该结构处在6度地震设防区，且房屋高度未超过34米，所以首先想到的结构形式是采用异形 柱框架结构。根据江苏省地方标准《钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程》对轴压比的控制要求的，适当的增加了短肢剪力墙，并在电梯间的位置设置了剪力墙核心 筒。这种由异形柱、短肢剪力墙和电梯剪力墙核心筒形成的框架-剪力墙结构体系既解决了矩形柱影响住户使用的问题，又形成了预防地震破坏的多道防线，从而有 效的保证了建筑物的安全。在地震烈度较低地区的小高层建筑，采用异形柱框架-剪力墙结构是一种安全、合理的结构方案。有效地控制构件的轴压比，并通过对结 构不断地优化设计，最终能达到建筑功能、结构可靠合理、经济合理等方面的和谐统一。

　　一、工程概况

　　无锡广瑞花园小区工程位于无锡市广勤路的北侧。小区由8栋住宅楼组成，最低7层，最高11层。地下为1层联体地下室，基础采用梁板式筏基。该地区抗震设防烈度为6度，设计地震加速度为 0.05g，地震分组为第一组，Ⅲ类场地土;基本风压为 0.45KN/m2 。

　　二、上部结构选型及计算

　　考虑到在住宅楼中使用矩形柱将影响住户的使用，该结构又处在6度地震设防区，且房屋高度未超过34米，所以首先想到的结构形式是采用异形柱框架结构。初 步试算时许多异形柱是不能满足江苏省地方标准《钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程》对轴压比的控制要求的，而适当的增加短肢剪力墙既解决了这个问题，又增 加了结构构件的延性;另外窗与窗之间的距离一般在1.0到1.4米之间，如果使用异形柱，从柱到窗边10公分到30公分的距离就要用填充墙砌筑，而两种不 同的材料会在后期的使用过程中出现裂缝，影响用户正常使用，所以在此处使用短肢剪力墙也是必然的结果。从截面性质来看剪力墙延性最大，其次是短肢剪力墙， 异形柱最小，所以我们在电梯间的位置设置了剪力墙核心筒。之后通过对墙、柱布置和截面的优化设计，结构在各种荷载作用下，其周期、层间位移、抗扭刚度等都 能很好地满足规范规定的要求，各构件在外力的作用下都能充分发挥各自的潜能;基本保证了各异形柱的刚度均匀，轴压比比较接近，而且异形柱都是构造配筋。这 种由异形柱、短肢剪力墙和电梯剪力墙核心筒形成的框架-剪力墙结构体系既解决了矩形柱影响住户使用的问题，又形成了预防地震破坏的多道防线，从而有效的保 证了建筑物的安全。

　　三、设计中应注意的若干问题

　　1、异形柱的截面设计

　　1.1应避免使用“一”和“Z” 形柱截面。“一”形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大。不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是同时受到两个方向弯矩的同时作用，其受力 后正截面承载力很弱。“一”形柱在双向剪力作用下性能也不好，由《混凝土结构设计规范》GB50010柱双向受剪承载力计算公式可见，柱截面相邻两边长度 相差越多，其斜向受剪承载力越低。“Z”形截面柱与“一”形截面柱类似，即两主轴方向抗弯能力相差甚大，如图示。 其正截面受弯及双向受剪性能与“一”形截面柱相差不多。

　　1.2 L、T、+形截面的两个正交方向的肢长或肢厚可以不相等，但要满足柱肢长度与柱肢厚度之比不大于4及柱净高与柱截面肢长之比不小于3这两条要求。如果，截 面一个肢长为800mm，若另一肢肢长小于500mm，则柱的双偏压计算表明，该柱的两轴抵抗弯矩图是一个很扁的椭圆，即两轴的抵抗弯矩值相差很多，和 “一”形柱截面的情况很接近。

　　1.3 柱截面肢长不可过短，由于一般异形柱肢较薄(200mm或250mm)，再加上肢长较短，此时柱上节点核心区过小，节点的受剪承载力可能不足。

　　1.4 平面布局较为规则的异形柱结构要在结构的两个主轴方向及与两主轴呈45°方向应分别计算水平地震作用并进行抗震验算，形柱截面主轴与结构主轴大致呈45°方向，对两主轴呈45°方向计算水平地震作用并进行抗震验算是应该和必要的。

　　1.5由于异形柱的两个最为薄弱的环节是节点受剪承载力与柱的延性性能，而异形柱节点核心区箍筋间距在施工中不易保证，所以应在设计说明中强调保证异形柱节点核心区箍筋间距的问题。

　　2、框架梁截的设计

　　2.1 异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm，从而保证了节点核心区异形柱钢筋粘结应力不致过大，避免节点区柱纵向钢筋全长粘结破坏、现象发生。

　　2.2 应严格禁止框架梁搭在异形柱柱肢和剪力墙墙身的短边方向，因为梁柱(墙)节点的核心区面积只有柱(墙)厚乘梁宽的范围内，承受不了它受到的节点剪力，另外框架梁的水平锚固长度也很难满足要求。

　　2.3 由于建筑隔墙一般为200mm厚，异形柱和框架梁一般也为200mm厚，框架梁纵筋穿越异形柱时要在柱纵筋内侧通过，梁上下受力纵筋每层应只配两根，以保证核心区混凝土的振捣质量和施工时的易操作性。且梁的纵筋直径不应大于22mm。

　　2.4 短肢剪力墙截面高度与厚度之比为5～8，所以当短肢剪力墙做为楼面梁的中间支座时，梁的上部纵筋应在短肢剪力墙中贯通。如果短肢剪力墙两侧梁的上部纵筋直径不同，则两侧梁的上部纵筋分别在短肢剪力墙中锚固，这样对短肢墙在墙、梁节点处的受力是非常不利的。

　　四、剪力墙与异形柱结构受力分析与探讨

　　1. 短肢剪力墙结构

　　对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析相同，可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方 法，其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该 用空间杆-墙组元程序进行校核。

　　在进行以上分析后，按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计，相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。

　　1.1短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率。

　　1.2高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因 而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢;

　　1.3各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心。

　　1.4高层结构中的连梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在 计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁要求，控制混凝土压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%-80%来解 决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。

　　2.异形柱结构

　　异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，截面形式常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

　　这种结构的特点是：

　　①由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两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对于长柱(H/h>4)可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱(H/h<4)，剪切变形占有相当 比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI或εcu/χ(εcu为混凝土的极限压应 变，χ为截面受压区高度)较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。

　　③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和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和 剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心混凝土处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显。

　　④特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析[1]，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：轴压比、柱净高与截面肢长比(剪跨比)，配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复 杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

　　在进行异形柱结构设计时，除满足高规中对结构布置要求外，还应注意几个方面的问题：

　　(1)异形框架的计算

　　由于其截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，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。而在水平力较大，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，则应对异形柱框架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，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的 TAT、SATWE程序。这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地满足结构安全性要求。

　　(2)轴压比控制

　　对框架结构，框-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。由试验结构分析 [2]，柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。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，这些导致异形柱 脆性明显，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。

　　在江苏规程中对轴压比有严格的要求。异形柱适用高度较低，一般为35 m。当高层建筑的高度进一步加大时，其水平力的影响会越来越显著，对结构的延性要求也越高。为在实际工作中便于使用，可按不同的截面形式(L、T、十字 型)与不同的抗震等级两项指标从严控制，对低烈度地区的这类结构是能够满足其延性要求的。

　　五、异形柱与短肢剪力墙共同使用的好处

　　1、结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾。

　　2、异形柱和短肢剪力墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置。

　　3、能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单。

　　4、连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽。

　　5、根据建筑平面的抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较易满足刚度和强度要求。

　　6、由异形柱、短肢剪力墙和电梯(楼梯)间核心筒形成三道抗震设防。

　　六、结论

　　在地震烈度较低地区的小高层建筑，采用异形柱框架-剪力墙结构是一种安全、合理的结构方案。合理地控制构件的轴压比，并通过对结构不断地优化设计，最终能达到建筑功能、结构可靠合理、经济合理等方面的和谐统一。