浅析房建工程钢筋混凝土异形柱的结构选型与结构布置

由于人们经济水平的提高，住房条件也得到了很大的改善，人们在追求住房舒适性的同时，也越来越重视建筑美观和结构布置的多样性。异形柱结构体系避免了矩形框架柱在室内凸出、占用建筑空间的问题，改善了建筑观感，为使用功能及建筑设计带来灵活性和方便性。采用异形柱框架结构，是墙体改革、节约能源、保护环境、减轻建筑自重、增加使用面积、适应建筑功能多样性需求的主要途径之一。
1 房建工程钢筋混凝土异形柱结构选型分析
1.1 结构体系的基本要求
在异形柱结构设计中，应根据是否抗震设防、抗震设防烈度、场地类别、房屋高度和高宽比，施工技术等因素，通过安全、技术、经济和使用条件的综合分析比较，选用合理的结构体系，并宜通过增加结构体系的多余约束和超静定次数、考虑传力途径的多重性、避免采用脆性材料和加强结构的延性等措施来保证结构的整体稳定性，使结构在承受自然界的灾害或人为破坏等意外作用而发生局部破坏时，不至于引发整体的连续倒塌而导致严重的恶性后果。
此外，异形柱结构体系尚应符合以下基本要求：
(1) 结构体系要求受力明确、传力合理且传力途径多重性、不间断。
(2) 为避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力，多道防线原则对确保异形柱结构的安全非常必要，特别是8度设防区，宜采用异形柱框架-剪力墙结构体系。
(3) 角柱一般采用 L形柱，由于 L形柱受力性能较差，是异形柱结构的薄弱部位，应采取加强措施提高其抗震能力。
(4) 结构应具有必要的承载能力、刚度和变形能力。
1.2 截面形式的选择
异形柱常用的截面形式有 T形、 L形、十字形，具体采用哪种类型需要根据建筑的需求和墙体的位置。除此之外，还有“一”字形和“ Z”形异形柱，但由于其受力性能不合理，所以很少采用，《异形柱规程》也没有列入。主要原因如下：
(1)“ 一”字形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大。(2)“ Z”形柱在实际工程中，应用还是很多的，比如阳台转角。(3)“ Z”形柱虽然没有列入《异形柱规程》，而且目前的理论和实验研究也不是很多，但在实际工程还是有用的。
1.3 楼板结构
根据楼板水平刚度的不同可分为：柔性楼板、刚性楼板及弹性楼板。不同刚度的楼板，在传递水平作用时的工作状态也不同。图1中假设各道竖向构件刚度相等，则楼板刚度不同时各竖向构件分配的反力不同。刚性楼盖的竖向构件所承受的水平力是按抗侧力刚度大小分配的。由于其构件内力分析较准确，安全度有保证。如果楼板形不成无限刚，如楼层开大洞口或凹凸太深太长等，即使按弹性楼板计算，也很难准确进行内力分析。因此，在结构设计中应尽量采用刚性楼板方案。

2 房建工程钢筋混凝土异形柱结构布置
2.1 结构平面、竖向布置
合理的结构设计方案无论在非抗震设计还是抗震设计中都具有非常重要的意义，结构的平面和竖向布置宜简单、规则、均匀，这就需要结构工程师与建筑师密切协调配合，兼顾建筑功能与结构功能的合理性。关于结构布置中对规则性的要求，《异形柱规程》提出：异形柱结构宜采用规则的结构设计方案，抗震设计的异形柱结构应符合抗震概念设计的要求，不应采用特别不规则的结构设计方案，比现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001) 对一般钢筋混凝土结构的有关规定有所加严，这是根据异形柱结构抗震性能和抗震设计特点而提出的。
异形柱结构的平面布置应符合下列要求：
(1) 异形柱结构的一个独立单元内，结构的平面形状宜简单、规则、对称，减少偏心，刚度和承载力分布宜均匀；
(2) 异形柱结构的框架纵、横柱网轴线宜分别对齐拉通：异形柱截面肢厚中心线宜与框架梁及剪力墙中心线对齐；
异形柱结构的竖向布置应符合下列要求：
(1) 建筑的立面和竖向剖面宜规则、均匀，避免过大的外挑和内收；
(2) 结构的侧向刚度沿竖向宜均匀变化，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力沿竖向的突变，竖向结构构件的截面尺寸和材料强度不宜在同一楼层变化；
(3) 异形柱框架-剪力墙结构体系的剪力墙应上下对齐连续贯通房屋全高。
2.2 底层抽柱带转换异形柱结构竖向布置
(1) 框架-剪力墙结构中的剪力墙应全部落地，并贯通房屋全高。抗震设计时，在基本振型地震作用下，剪力墙部分承受的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的 50%；
(2) 矩形平面结构中剪力墙的间距，非抗震设计下宜大于 3 倍楼盖宽度，且不宜大于 36m；抗震设计不宜大于 2 倍楼盖宽度，且不宜大于 24m；
(3) 框架结构的底部托柱框架不应采用单跨框架；
(4) 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。
(5) 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%；
3 实例分析
3.1 工程概况
(1) 本工程为某项目一期工程7#楼。建筑面积为 2766.4m2，建筑基底面积为443.4m2，建筑高度为 18.450m，建筑层数为六层带跃层，标准层层高为 3m，建筑室内标高±0.000 相当于黄海高程 31.250m，室内外高差 450mm，建筑耐火等级为二级。由于淮北属于寒冷地区，所以本工程外墙材料采用 240mm 厚非承重混凝土空心砌块，内墙为 200mm 和 120mm 厚非承重混凝土空心砌块。
(2)本工程采用的结构形式为带部分矩形柱的异形柱框架结构，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为 6 度(0.05g)，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，框架抗震等级为四级。
3.2 结构布置
整栋楼平面长度为 43.0m，宽度为 10.6m，总高度为 18.45m(<24.0m)，长宽比为 4.05(<5.0)，高宽比为 1.74(<4.0)，由此可见结构尺寸均满足规范要求，结构平面布置图详见图 1。

(1) 梁、柱的截面选型
按照《异形柱规程》的规定，考虑柱纵筋的锚固和梁端箍筋加密的最大间距要求，框架梁的最小截面尺寸为 200mm×400mm，其中外墙部分框架梁截面尺寸为 240mm×400mm，B~C 轴之间的横向框架截面尺寸为 200mm×450mm，异形柱的截面选型方面：角部采用 L 形截面；边框柱采用 T 形截面；局部中柱采用十字形截面；其余位置的框架柱如：楼梯间四角或受力较大的中柱，利用矩形柱代替异形柱，既可满足抗震设计要求，又不会影响建筑空间使用和美观；所有异形柱柱肢截面厚度同墙宽，阳台转角部分因为建筑设计需要采用了 Z 形柱截面，并加强中间肢厚度和箍筋构造，以防因抗震不利被破坏。
(2) 结构的平面布置
结构的平面布置整体上规则、对称，刚度和质量分布均匀，刚度中心和质量中心基本重合。异形柱框架纵、横网轴基本对齐拉通，由于建筑户型的需要，少量没有对齐的柱网，结构上也采取了双向框架梁拉结，并形成多跨框架，异形柱截面厚度中心与框架梁中心线对齐。在 12 轴上有部分平面尺寸的凹进，结构上也采取了凹口部分四角设置框架柱的措施，并在施工图的绘制中，加强凹口角部梁、板、柱的截面和配筋等构造措施。
(3) 结构的竖向布置
结构的整体竖向布置规则、均匀，没有过大的悬挑和内收；上部结构的侧向刚度沿高度均匀变化，没有侧向刚度和承载力的突变，结构材料等级和截面尺寸沿竖向也没有较大的变化或同时变化。在设计过程中，唯一出现的问题是由于基础埋深较大约 5.5m，造成基础顶部到基础梁之间的柱子计算高度较大，在计算中出现了底层的楼层抗剪承载力比值仅为 0.62，不满足规范规定的最小值 0.8 的要求，最终把基础梁以下的异形柱改为矩形柱，这样在不影响上部建筑空间的前提下，既解决了楼层抗剪承载力突变问题，同时也方便了基础部分的施工，避免了异形柱在基础柱脚施工时的困难。

参考文献：
[1] 王依群. 混凝土异形柱结构理论及应用[C]. 北京：知识产权出版社，2006
[2] 王昌兴. 建筑结构抗震设计及工程应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008
[3] DB34/222-2001，安徽省异形柱框架轻质墙结构(抗震)设计规范[S] .