异形柱设计

异形柱结构设计要点
一、异形柱结构体系
异形柱结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架-剪力墙结构体系。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，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。
一、异形柱结构特点
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为砼的极限压应变，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砼协调变形和内力，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，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，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［2］，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、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。
二、异形柱结构适用条件
1、居住建筑（住宅及宿舍）；
2、抗震设防烈度为7度（0.10g及0.15g）和8度（0.20g，I、II、III类场地）；
3、柱网尺寸不宜大于6.6m；
4、房屋总高度的限制。
三、异形柱结构的平面布置：
1、在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。
2、结构平面布置应减小扭转效应的不利影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移分别不宜大于该楼层两端相应平均值的1.2倍，不应大于该楼层两端相应平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。
3、异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构均应设计成双向抗侧力结构体系。
4、异形柱结构的框架纵横柱网轴线宜对齐拉通；异形柱肢截面厚度中线与梁及剪力墙中线宜对齐重合。
5、异形柱结构不应用于单跨框架结构。
四、异形柱结构的竖向布置：
1、结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。
2、异形柱结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的75%，或其上相邻三层刚度平均值的85%。
3、楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的85%,不应小于其上一层受剪承载力的70%。
4、异形柱框架不应采用楼层错层的设计方案。
5、异形柱不宜在楼层半层处单面设置挑梁。
五、异形柱结构应按下列原则考虑地震作用：
1、抗侧力结构正交布置时，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用。
2、有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
3、质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
六、异形柱结构应根据不同情况，分别采用下列地震作用计算方法：
1、异形柱结构宜采用振型分解反应谱法，当质量和刚度不对称、不均匀时应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。
2、高度不超过40m，以剪切变形为猪，且质量与刚度沿高度分布较均匀的异形柱结构，可采用底部剪力法。
七、异形柱结构构造做法：
1、异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于4，且肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。
2、框架梁截面高度Hb可按（1/10~1/15）L b确定（Lb为计算跨度）,且不应小于 400mm.梁的截面宽度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。
3、异形柱的混凝土强度等级不小于C25和不大于C50，这是由于异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等级为C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少，还不足以行成编制规程条文的基础，所以这次规程未列入。
4、异形柱截面上受力纵筋的位置如下图所示。试验和模拟计算表明这些位置上的纵筋均发挥大的作用，特别是当轴压较大时处于各肢内折角处的纵筋的作用不容忽视，一定要作为受力筋处理。

5、异形柱结构框架梁截面高度抗震设计时不应小于400mm
八、异形柱结构设计时应注意的问题：
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，按砼设计规范计算，特别是在框——剪，框——筒结构中，对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。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。现在有一些软件没有异形柱截面形式，如要用它进行计算，要先进行等刚度等面积换算成矩形柱，进行整体分析，得到双向内力后再进行异形柱的截面设计，其工作量相当大，且截面设计的可靠性不高。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，广东省建院的SS、SSW程序以及天津大学的钢筋砼异形柱结构配筋计算程序CRSC。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，且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。由试验结构分析［3］，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，剪应力使砼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。
在广东规程中，其轴压比按砼设计规范中的要求减少0.05，但其适用高度较低，一般为35 m。当高层建筑的高度进一步加大时，其水平力的影响会愈来愈显著，对结构的延性要求也愈高。由天津大学土木系对异形柱延性资料可知，影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平侧移下，其延性性能也有较大差异，因而，轴压比控制应参考天津规程。但天津规程的控制过于繁锁，在结构计算中，柱的纵筋与箍面的直径还没有设定，因而箍筋间距与纵筋直径的比值还无法确定。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。
3、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，柱肢端部会出现较大应力，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，进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设2Ф14的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，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，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。
异形柱设计小结 作者：田邦勤
一 形柱的概念定义
异形柱：指截面肢厚小于300mm的L、T、+形的截面柱。现在建筑界所讲的“异形柱”，特点是截面肢薄，由此引起构件性能与矩形柱性能的差异，这些包括受力、变形、构造做法等一系列差异。制定规程主要是针对肢厚200、250mm的异形柱。其形式与短墙肢相似，若肢较长就称短墙肢，很难划分两者的界线。称呼异议：大多数比矩形柱、圆形柱称异形柱如建设部第415号批准天津大学主编的《混凝土异形柱结构技术规程》行业标准JGJ149—2006，（自2006年8月1日起实施，）亦有称异型柱如上海市同济大学主编的《钢筋混凝土异型柱结构技术规程》地方规范。
二 “一”、“Z”形柱未列入规程的原因
1、“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受到两个方向的弯矩同时作用，其受力后的表现可想而知，它在双向剪力作用下性能也不好，由GB50010柱双向受剪承载力计算公式可见，柱截面相邻两边长相差越多，其斜向受剪承载力越低。如沿“一”形柱短边方向有梁与其相连，则此梁柱节点的核心区面积只有柱厚乘梁宽这一点点，显然承受不了它受到的节点剪力。 所以异形柱规程未将“一”形柱列入。
2、“Z”形柱在实际工程中，应用还是很多的，比如阳台转角。“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， 多数情况下是Z形的上下两水平肢受与其方向一致的力，即由两根梁传来的拉力或压力，这只有通过中间肢的受扭来传递，后果只能是中间肢的断裂！
3、“Z”形异形柱目前研究的不是很多，但在实际工程还是有用的。如果结构中只是个别柱为Z 形，可以采用加强构造的做法设计，应该问题不大。
三、异形柱应用的意义
随着国家行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》颁布，砼异形柱结构将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，为用户提供了理想的居住环境，受到房地产开发商和广大用户的欢迎，由于其符合室内布置的要求，且与墙体（指填充墙）连接良好，在我国许多省市的住宅建筑已有广泛的实际应用，甚至在8度地震设防区得到一定程度的应用。
四、扁平柱的使用
在异形柱结构中使用扁平柱是可以的，建议最小厚度取250，梁纵筋用3级钢，直径不超过12。各项验算同普通框架柱，构造和轴压比建议控制更严格一些。因“一”形异形柱不提倡用，在某工程上缺了还不行，没办法可用扁平柱，其计算按矩形柱方法计算。
五、异形柱限制砼强度等级≥C25和≤C50原因
由于异形柱截面尺寸薄，砼强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求；C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少，还不足以行成编制规程条文的基础，所以这次规程未列入。
六、底层减柱的限制
1.落地的框架柱应连续贯通房屋全高；不落地的框架柱应连续贯通转换层以上的所有楼层。底部抽柱数不宜超过转换层相邻上部楼层框架柱总数的30%。转换层下部结构的框架柱不应采用异形柱；底部抽柱带转换层的异形柱结构可用于非抗震设计和6度、7度（0.10g）抗震设计的房屋建筑；
2.底部抽柱，带转换层的异形柱结构在地面以上大空间的层数：非抗震设计不宜超过3层；抗震设计不宜超过2层； 底部抽柱带转换层异形柱结构适用的房屋最大高度应按本规程第3.1.2条规定的限值降低不少于10%，且框架结构不应超过6层。框架－剪力墙结构,非抗震设计不应超过12层，抗震设计不应超过10层；
3.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，或一方向为框架梁，另一方向为托柱次梁；转换层上部异形柱向底部框架柱转换时，下部框架柱截面的外轮廓尺寸不宜小于上部异形柱截面外轮廓尺寸。转换层上部异形柱截面形心与下部框架柱截面形心宜重合，当不重合时应考虑偏心的影响；
4.转换层及下部结构的混凝土强度等级不应低于C30；转换层楼面应采用现浇楼板，楼板的厚度不应小于150mm，且应双层双向配筋，每层每方向的配筋率不宜小于0.25%。楼板钢筋应锚固在边梁或墙体内；
5.转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比宜接近1。转换层上、下部结构侧向刚度比可按国家行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第E.0.2条的规定计算。规程不允许次梁转换(二次转换)。
6.托柱框架梁的截面宽度，不应小于梁宽度方向被托异形柱截面的肢高（就是柱全由梁宽包住）或一般框架柱的截面高度；不宜大于托柱框架柱相应方向的截面宽度。托柱框架梁的截面高度不宜小于托柱框架梁计算跨度的1/8；当双向均为托柱框架时，不宜小于短跨框架梁计算跨度的1/8。托柱次梁应垂直于托柱框架梁方向布置,梁的宽度不应小于400mm,其中心线应与同方向被托异形柱截面肢厚或一般框架柱截面的中心线重合.
7.注解：直接承托不落地柱的框架称托柱框架，直接承托不落地柱的框架梁称托柱框架梁，直接承托不落地柱的非框架梁称托柱次梁。
七、应用范围
异形柱应用在7度设防以下。
八、地震力系数放大
因用异形柱导致刚度下降，使得地震力减小，应采用地震力放大系数来适当地增加地震力。
九、自振周期折减
计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期，应考虑非承重填充墙体对结构整体刚度的影响予以折减。
十、截面定义输入：
异形柱截面有T形、十形、L形，对一字形、Z字形规程未列入应用，在PMCAD截面定义中输入T形按2截面工形输入，不用的地方输0；十形按6截面十形输入（该正正该负负）；L形用5截面槽钢形输入（定义某肢长为0）。其宽均为240，肢长为600。输入轴线节点处应注意偏心（以竖向肢中点来定位）材料应定为砼。为减少输入偏心转角的麻烦，在定义时要多定几个不同的截面类型。
十一、配筋计算：
配筋计算：采用双偏压、拉计算，（角柱程序在编制过程中就默认采用双偏压来计算，即使你在选择系数时选的单偏压计算模式，程序仍然按照双偏压计算）箍筋采用双剪箍。异形柱肢长与肢宽比≤4时（梁的刚度计算跨度以柱形心为准，这时在‘参数修正’菜单中选择不考虑梁柱重叠影响，即不考虑梁的刚域），否则应考虑梁的刚域（梁的刚度计算跨度以柱净跨为准，这样梁的刚度计算长度就短，刚度就大）。这时梁柱重叠部分，按刚域参数考虑。
十二、施工图画法：
a全楼柱钢筋归并；b平面柱大样画法画异形柱施工图，应注意箍筋加密与普通柱相同；柱分布筋之间设拉筋，其直径同箍筋，间距是箍筋的2倍；横向肢、竖向肢分别按计算配置一个矩形箍筋，并分别满足X、Y向计算箍筋面积的要求；c竖向筋要满足最小间距要求，采用对称配筋，一排排不下，程序自动放两排；按固定钢筋（L形角部的角筋双向共用）和分布筋（竖向架立筋@≤200）的构造要求分别配制固定钢筋和分布筋。d在核心区箍筋相交处，若无主筋时，应设竖向架立筋如T形柱内侧，架立筋为构造筋，隐含直径D=14mm。
十三、其它
顶层托斜层顶的（角）柱，规程对此没有涉及，它所受轴力、弯矩均不大，柱本身强度不会成问题，关键是房屋顶部结构整体性能，设计人员自己把握抗震设计的异形柱结构不应有错层，原因是免形成短柱。较小的错层(梁高范围内楼板错开)不算“错层”，即这里的错层是指规范和高规中的“较大的错层”。抗震设计时，框架柱的净高与柱截面长边之比不宜小于4，不应小于3。一般楼梯处易出现短柱，为此在楼梯间两侧布置剪力墙其它地方还是以异型柱为主。异形柱在斜向水平荷载作用下，其受剪承载力的平面图形为梅花状，等肢情况下（即两肢长度、宽度相同）异形截面柱受剪承载力在各象限图形是凸的。在斜向剪力作用下，如果按X、Y两个分量分别配筋满足要求的话，其斜向承载力也能满足要求。由以上原因，异形柱规程规定异形柱的斜截面承载力可以分X、Y向分别进行设计。，不等肢情况时，该图形的凸出程度要差一些，两肢长度相差越大，凸出程度越差，一形柱就是个扁椭圆。所以，这也是规程规定异形柱截面任一肢肢长不得小于500mm的一个原因。
十四、总结
PKPM系统实现了异形柱的布置、计算、施工图设计。在异形柱布置时应注意偏心，转角的应用；在TAT或SATWE计算时，要了解异形柱的刚度计算（注意应考虑剪应力不均匀分布的影响系数，一般矩形柱为1.2，异形柱采用分块积分法在TAT数据检查时统一完成）、刚域计算、整体内力到柱肢内力的分配计算，尤其是轴力的分配计算问题、以及异形柱配筋计算；在绘施工图时，要了解异形柱的构造要求，角点筋的配置，架立分布筋的设置等。
二000六年十一月二十日