異形柱框架應設計成雙向剛接梁柱抗側力體係,根據結構平麵布置和受力特點,可設計成部分異形柱部分矩形柱的形式,特別注意在受力複雜部分采用矩形柱。異形柱的存在和不同的布置對結構整個抗側力剛度影響很大,總體來講相對於同樣布置的同截麵矩形柱結構,異形柱結構的整體性要好,剛度略由增強;而單結構形式來講,異形柱結構的剛度介於普通框架和框架剪力牆之間。異形柱結構的受力特點介於普通框架柱和剪力牆之間,結構的抗震性能比較差,在內力分析計算時,既不能完全按普通框架柱,也不能完全照搬短肢剪力牆。在整體計算分析中,根據規範要求,對於矩形柱結構,當無斜向抗側力構件時,結構設計的地震作用方向一般取工程縱橫軸方向,即0°和90°以此來求得地震作用下的結構內力,正截麵承載力兩個方向分別按單偏壓計算配筋,其承載力基本上可以包絡地震作用沿其他方向的情況。但對於異形柱,由於截麵慣性矩沿不同方向差別很大,地震作用下柱受力的最不利方向不一定0°或90°,也就是說僅沿該兩個方向計算的正截麵配筋並不能完全包絡地震作用沿其他方向時的情況,尤其在高烈度地區體現得更顯著。對此,《規程》4.2.4條強製規定,7度及以上時地震作用尚應對與主軸成45°方向進行補充驗算[1]。
其次是異形柱結構的節點核心區抗剪問題。普通框架隻要梁柱截麵滿足規範構造要求,節點核心區麵積大,除二級或更高抗震等級的節點外,一般不需要特別進行節點抗剪驗算。但異形柱框架的肢厚不大,節點核心區有效水平截麵積小。另外,異形柱由於軸壓比的要求,通常肢長較大,相對同截麵麵積的矩形柱來講,剛度大,地震作用大,相應的節點剪力比相同布置下(柱麵積相等)的矩形柱結構大很多。因此異形柱框架節點一般都需要驗算節點抗剪強度。而且異形柱截麵形式的不同,其節點受剪承載力也差別較大。十字形截麵柱的翼緣布置在節點截麵中間受力最大的部位,翼緣的作用得以充分發揮,節點受剪承載力與同截麵麵積的矩形柱相差不大,T形截麵次之,L形相差最大,受剪承載力下降最大。而實際工程中異形柱結構的節點核心區抗剪往往不容易算通過,特別是在高烈度設防地區或者建築層數較多(5、6層以上)的時候,經常因此而加大牆、柱的混凝土強度等級,有的時候都在C40以上才能滿足。筆者在鎮江7度(0.15g)遇到過一個6層住宅,最初采用異形柱結構計算,計算後發現有相當數量的異形柱節點核心區抗剪不夠,另外就是梁、柱的配筋很大,最終從經濟性的角度考慮,未采用異形柱結構。這從一個側麵說明在高烈度地區控製異形柱結構適用高度的參數已不單單是柱軸壓比,而是節點區的強度。
第三點需要注意的是軸壓比及柱配筋。不管對矩形柱還是異形柱,軸壓比無疑是最重要的控製條件之一,其側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降,對異形柱更應從嚴控製。異形柱截麵的剪力中心與截麵形心不重合,剪應力的存在使柱肢先於普通矩形柱的剪壓構件出現裂縫,產生腹剪破壞,導致柱脆性顯著,延性普遍低於矩形柱。而且柱截麵可能出現單純翼緣受壓,此時柱的延性最差,因此需要進一步提高異形柱的抗剪能力。除此之外,盡量避免短柱的出現,對剪跨比小的短柱要采取相應的加強措施,以免形成薄弱環節。特別容易忽視的就是短柱,有異形截麵柱的住宅建築,若層高為2.80~3.00m,則層間淨高與柱肢長之比很容易不大於4,屬短柱,這就使異形截麵柱變形能力比矩形柱低,易產生脆性破壞,須從構造上采取加強措施,比如箍筋應全高加密。第一次做異形柱結構設計時候,大部分柱都忽視了這一點。