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摘要：本文分析了混凝土异形框架结构的特点和钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法，并以某钢筋混凝土结构收费大棚为例，介绍了它的设计与实践。
关键词：异型；混凝土框架；结构设计
Abstract: this paper analyses the characteristics of concrete special-shaped frame structure and steel reinforced concrete frame structure optimization design method of division, taking charge of reinforced concrete structures, greenhouses, for example, introduces the design and practice of it.
Key words: alien; Concrete frame; The structure design
中图分类号：TU375.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
前言
钢筋混凝土框架结构是由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来形成空间结构体系。框架结构具有建筑平面布置灵活、造型活泼等优点，可以形成较大的使用空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计，可以具有较好的延性性能。 但是，框架结构也不可避免的存在一些缺点：整体侧向刚度较小,在强烈地震作用下侧向变形较大,容易使填充墙产生裂缝，同时当层数较多或水平力较大时,水平位移较大,在强烈地震作用下往往由于变形过大而引起非结构构件的破坏,为了满足承载力和侧向刚度的要求,柱子的截面设计往往较大,既耗费了建筑材料,又会减少使用面积，这就使框架结构的建筑高度受到一定的限制，因此这种结构一般用于非地震区或层数较少的低烈度高层建筑。 因此，在框架建筑结构设计中，如何做到结构设计优化，使设计的整体结果分布更均匀 、设计更合理是十分重要的课题。
一、异形混凝土框架结构的特点与设计要点
异形柱：截面几何形状为L形、T形、和十字形，截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。
异形混凝土框架结构：通常以异形柱代替一般框架柱，和梁刚性连接组成的承受竖向和水平作用的结构。实际应用中不少建筑为了线条的流畅和美观，经常采用弧线梁设计，其形状与尺寸随其长度方向变化的，有的甚至比S型还复杂。
1、异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，实验研究及理论分析表明：异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载(作用)方向不同而有较大差异。在L形、T形和十字形三种异形柱中，以L形柱的差异最为显著。当异形柱结构中混合使用等肢异形柱与不等肢异形柱时，则差异情况更为错综复杂，成为异形柱结构地震作用计算中不容忽视的问题。所以对异形柱结构应采用三维空间分析的方法，目前能用于这种结构抗震分析的常用软件有TAT，SATwE等。
2、异形柱在单调荷载特别在低周反复荷载作用下粘结破坏较矩形柱严重。对柱的剪跨比不应小于1.5的要求，是为了避免出现极短柱，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性，为了设计方便，当反弯点位于层高范围内时．柱的净高与柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震设计时不应小于3。
3、异形柱多为两肢、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力时要靠各肢交点处核心混凝土协调变形和内力分布。由弹性分析知道这种变形协调使各柱肢存在相当的翘曲正应力和剪应力，而该剪应力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通压剪构件出现裂缝，其次对各肢相交之核心混凝土，使其单元应力呈三维剪压状态，由此使异形柱较普通框架柱变形能力低，脆性破坏明显。
4、异形柱作为压剪构件，其破坏形态有：弯曲破坏，小偏压破坏，粘接破坏，高压剪破坏以及剪压破坏，剪拉破坏和斜压破坏。和其破坏形态相关的主要因素是：轴压比、柱净高与截面肢长之比(即剪跨比)、纵筋配筋率等。通过必要的构造措施可以防止粘结、剪拉及斜压等脆性破坏，提高柱肢的小偏压及剪压破坏的延性。
5、异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节。为确保安全，对抗震设计的二、三、四级抗震等级柱节点核心区以及非抗震设计的梁柱节点核心区，均应进行受剪承载力计算。在设计中，尚可采取各类有效措施，包括例如梁端增设支托或水平加腋等构造措施，以提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。对于纵横向框架共同交汇的节点，可以按各自方向分别进行节点核心区受剪承载力计算。
6、和传统的直线梁相比，弧形梁在施工和设计方面有许多不同之处，其中，在荷载作用下，它的内力和直线型相比，除了弯矩，剪力，轴力的计算方法不一样外，还有非常大的扭矩，而直线型基本上无扭矩。弧形梁处于弯剪扭共同作用的复合受力状态。构件的受扭与受弯，受剪承载力是相互影响的，这种相互影响的性质称为相关性。
7、弧形梁扭矩较大且不利于抗震，所以弧形梁除了要进行抗扭设计外，一般两柱有较弯曲的框架梁时同时也设直梁并适当加钢筋。为了简化计算，《混凝土结构设计规范》建议采用叠加方法进行计算，首先按纯弯构件计算弯矩作用下所需的纵向钢筋的截面面积；其次，剪扭构件计算承受剪力作用下所需的箍筋面积的截面面积，以及计算承受扭矩所需的纵向钢筋截面面积和箍筋截面面积。再次，叠加上述计算所得到的纵向钢筋截面面积和箍筋截面面积。
二、钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法
1、初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸;
2、结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面內力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力;
3、截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构;
4、收敛性判断:在工程精度意义上选取一个较小的数值,作为检验结构收敛性的条件,进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致,则认为优化结构是收敛的,可以转入下一步的可行性判断,否则转回第②步重新进行结构分析、优化设计;
5、可行性判断:对优化设计结果进行一次内力分析,检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求,则可按此方案进行配筋和构造处理,作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整,直到方案可用为止。
三、工程案例
（一）工程概况
某公路收费大棚，框架结构，地上一层。总建筑面积1289.6，建筑高度10.3米，主要柱网尺寸为21.6X12.0m，总高度为14.8m，总长度为51.71m，总宽度为16.0m，高宽比为0.925，长宽比为3.23。本工程钢筋混凝土的环境类别基础、基础梁为二a类，其余为一类。建筑结构安全等级：二级；设计使用年限：50年；建筑抗震设防类别：丙类；地基基础设计等级：丙级；框架抗震等级为四级。
1、自然条件
（1）基本风压：Wo=0.35kN/m²
地面粗糙度类别：B类
（2）场地地震基本烈度：6度
抗震设防烈度：6度（0.05g）设计地震分组第一组
建设场地类别：II类
2、基础形式
本收费大棚基础采用人工挖孔嵌岩灌注桩，中风化粉砂岩层极限端阻力标准值为2500KPa。
（二）设计与实践
1、混凝土保护层（mm）
基础：下部钢筋有垫层40，无垫层70；基础梁30
框架柱30，且不宜小于纵筋直径；框架梁25，且不宜小于纵筋直径。
各楼层板15.
梁板中预埋管的混凝土保护厚度应大于30.
2、、结构混凝土耐久性
3、钢筋构造
主梁与次梁交接处需设吊筋或附加箍筋；不论在主梁上是否有吊筋，均在主梁中与次梁两侧设置加箍，如图
4、梁上预留孔大于200时，洞边加强筋设计如图
5、楼板构造设计
异形板钢筋的放置，短向钢筋置于下层，长向在上。钢筋长度不够时，楼板、梁及屋面、梁上部筋应跨中搭接总量的25%，相邻接头截面的最小距离为45d。各板角负筋，纵横两向必须重设置成网格状。凡在板上砌隔墙时，应在墙下板内部增设加强筋，当板跨长度小于1500，2φ14，当板跨在1500到2500之间时；3φ14，当板跨大于2500时，3φ16，并锚固与两端支座内。
板内钢筋如遇洞口D小于250时，钢筋绕过洞口，不需截断，大于250时，可截断并锚固，与洞边增设加强钢筋。
挑檐转角处按下图设置加强钢筋；加强钢筋的直径及间距与板内相应的受力钢筋相同。
6、结构设计实施效果
根据评审外观设计方案，确定为前、后立面为彩虹造型大拱，拱墩、拱身分別按异型柱、弧线梁设计，中间5.8米标高以上为反拱梁柱结构。
实际设计效果如附图：
附图1：某收费大棚结构平面图
附图2：某收费大棚结构剖面图
结束语
异型混凝土框架结构是属于新型结构体系，实际中为了追求建筑设计效果，我国工程设计人员对该结构体系经过多年的创新改造，在设计与实践方面取得了丰硕成果。设计人员应当熟悉这种体系的结构性能，正确掌握设计要点，确保异型混凝土框架结构设计安全可靠，经济合理，技术先进。
参考文献
[1]苗客方.单跨圆弧梁的设计与计算[J].连云港化工高专学报，2007（09）.
[2]杨云.异形柱框架结构设计浅析[J].大众科技，2008(07).
[3]黄文治.异形柱框架结构设计分析[J].城市建设理论研究2012(09).
关键词：异型；混凝土框架；结构设计
Abstract: this paper analyses the characteristics of concrete special-shaped frame structure and steel reinforced concrete frame structure optimization design method of division, taking charge of reinforced concrete structures, greenhouses, for example, introduces the design and practice of it.
Key words: alien; Concrete frame; The structure design
中图分类号：TU375.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
前言
钢筋混凝土框架结构是由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来形成空间结构体系。框架结构具有建筑平面布置灵活、造型活泼等优点，可以形成较大的使用空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计，可以具有较好的延性性能。 但是，框架结构也不可避免的存在一些缺点：整体侧向刚度较小,在强烈地震作用下侧向变形较大,容易使填充墙产生裂缝，同时当层数较多或水平力较大时,水平位移较大,在强烈地震作用下往往由于变形过大而引起非结构构件的破坏,为了满足承载力和侧向刚度的要求,柱子的截面设计往往较大,既耗费了建筑材料,又会减少使用面积，这就使框架结构的建筑高度受到一定的限制，因此这种结构一般用于非地震区或层数较少的低烈度高层建筑。 因此，在框架建筑结构设计中，如何做到结构设计优化，使设计的整体结果分布更均匀 、设计更合理是十分重要的课题。
一、异形混凝土框架结构的特点与设计要点
异形柱：截面几何形状为L形、T形、和十字形，截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。
异形混凝土框架结构：通常以异形柱代替一般框架柱，和梁刚性连接组成的承受竖向和水平作用的结构。实际应用中不少建筑为了线条的流畅和美观，经常采用弧线梁设计，其形状与尺寸随其长度方向变化的，有的甚至比S型还复杂。
1、异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，实验研究及理论分析表明：异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载(作用)方向不同而有较大差异。在L形、T形和十字形三种异形柱中，以L形柱的差异最为显著。当异形柱结构中混合使用等肢异形柱与不等肢异形柱时，则差异情况更为错综复杂，成为异形柱结构地震作用计算中不容忽视的问题。所以对异形柱结构应采用三维空间分析的方法，目前能用于这种结构抗震分析的常用软件有TAT，SATwE等。
2、异形柱在单调荷载特别在低周反复荷载作用下粘结破坏较矩形柱严重。对柱的剪跨比不应小于1.5的要求，是为了避免出现极短柱，减小地震作用下发生脆性粘结破坏的危险性，为了设计方便，当反弯点位于层高范围内时．柱的净高与柱肢截面高度之比不宜小于4，抗震设计时不应小于3。
3、异形柱多为两肢、三肢、甚至四肢，剪切中心往往在平面尺寸之外，受力时要靠各肢交点处核心混凝土协调变形和内力分布。由弹性分析知道这种变形协调使各柱肢存在相当的翘曲正应力和剪应力，而该剪应力的存在，首先使柱肢混凝土先于普通压剪构件出现裂缝，其次对各肢相交之核心混凝土，使其单元应力呈三维剪压状态，由此使异形柱较普通框架柱变形能力低，脆性破坏明显。
4、异形柱作为压剪构件，其破坏形态有：弯曲破坏，小偏压破坏，粘接破坏，高压剪破坏以及剪压破坏，剪拉破坏和斜压破坏。和其破坏形态相关的主要因素是：轴压比、柱净高与截面肢长之比(即剪跨比)、纵筋配筋率等。通过必要的构造措施可以防止粘结、剪拉及斜压等脆性破坏，提高柱肢的小偏压及剪压破坏的延性。
5、异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节。为确保安全，对抗震设计的二、三、四级抗震等级柱节点核心区以及非抗震设计的梁柱节点核心区，均应进行受剪承载力计算。在设计中，尚可采取各类有效措施，包括例如梁端增设支托或水平加腋等构造措施，以提高或改善梁柱节点核心区的受剪性能。对于纵横向框架共同交汇的节点，可以按各自方向分别进行节点核心区受剪承载力计算。
6、和传统的直线梁相比，弧形梁在施工和设计方面有许多不同之处，其中，在荷载作用下，它的内力和直线型相比，除了弯矩，剪力，轴力的计算方法不一样外，还有非常大的扭矩，而直线型基本上无扭矩。弧形梁处于弯剪扭共同作用的复合受力状态。构件的受扭与受弯，受剪承载力是相互影响的，这种相互影响的性质称为相关性。
7、弧形梁扭矩较大且不利于抗震，所以弧形梁除了要进行抗扭设计外，一般两柱有较弯曲的框架梁时同时也设直梁并适当加钢筋。为了简化计算，《混凝土结构设计规范》建议采用叠加方法进行计算，首先按纯弯构件计算弯矩作用下所需的纵向钢筋的截面面积；其次，剪扭构件计算承受剪力作用下所需的箍筋面积的截面面积，以及计算承受扭矩所需的纵向钢筋截面面积和箍筋截面面积。再次，叠加上述计算所得到的纵向钢筋截面面积和箍筋截面面积。
二、钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法
1、初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸;
2、结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面內力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力;
3、截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构;
4、收敛性判断:在工程精度意义上选取一个较小的数值,作为检验结构收敛性的条件,进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致,则认为优化结构是收敛的,可以转入下一步的可行性判断,否则转回第②步重新进行结构分析、优化设计;
5、可行性判断:对优化设计结果进行一次内力分析,检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求,则可按此方案进行配筋和构造处理,作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整,直到方案可用为止。
三、工程案例
（一）工程概况
某公路收费大棚，框架结构，地上一层。总建筑面积1289.6，建筑高度10.3米，主要柱网尺寸为21.6X12.0m，总高度为14.8m，总长度为51.71m，总宽度为16.0m，高宽比为0.925，长宽比为3.23。本工程钢筋混凝土的环境类别基础、基础梁为二a类，其余为一类。建筑结构安全等级：二级；设计使用年限：50年；建筑抗震设防类别：丙类；地基基础设计等级：丙级；框架抗震等级为四级。
1、自然条件
（1）基本风压：Wo=0.35kN/m²
地面粗糙度类别：B类
（2）场地地震基本烈度：6度
抗震设防烈度：6度（0.05g）设计地震分组第一组
建设场地类别：II类
2、基础形式
本收费大棚基础采用人工挖孔嵌岩灌注桩，中风化粉砂岩层极限端阻力标准值为2500KPa。
（二）设计与实践
1、混凝土保护层（mm）
基础：下部钢筋有垫层40，无垫层70；基础梁30
框架柱30，且不宜小于纵筋直径；框架梁25，且不宜小于纵筋直径。
各楼层板15.
梁板中预埋管的混凝土保护厚度应大于30.
2、、结构混凝土耐久性
3、钢筋构造
主梁与次梁交接处需设吊筋或附加箍筋；不论在主梁上是否有吊筋，均在主梁中与次梁两侧设置加箍，如图
4、梁上预留孔大于200时，洞边加强筋设计如图
5、楼板构造设计
异形板钢筋的放置，短向钢筋置于下层，长向在上。钢筋长度不够时，楼板、梁及屋面、梁上部筋应跨中搭接总量的25%，相邻接头截面的最小距离为45d。各板角负筋，纵横两向必须重设置成网格状。凡在板上砌隔墙时，应在墙下板内部增设加强筋，当板跨长度小于1500，2φ14，当板跨在1500到2500之间时；3φ14，当板跨大于2500时，3φ16，并锚固与两端支座内。
板内钢筋如遇洞口D小于250时，钢筋绕过洞口，不需截断，大于250时，可截断并锚固，与洞边增设加强钢筋。
挑檐转角处按下图设置加强钢筋；加强钢筋的直径及间距与板内相应的受力钢筋相同。
6、结构设计实施效果
根据评审外观设计方案，确定为前、后立面为彩虹造型大拱，拱墩、拱身分別按异型柱、弧线梁设计，中间5.8米标高以上为反拱梁柱结构。
实际设计效果如附图：
附图1：某收费大棚结构平面图
附图2：某收费大棚结构剖面图
结束语
异型混凝土框架结构是属于新型结构体系，实际中为了追求建筑设计效果，我国工程设计人员对该结构体系经过多年的创新改造，在设计与实践方面取得了丰硕成果。设计人员应当熟悉这种体系的结构性能，正确掌握设计要点，确保异型混凝土框架结构设计安全可靠，经济合理，技术先进。
参考文献
[1]苗客方.单跨圆弧梁的设计与计算[J].连云港化工高专学报，2007（09）.
[2]杨云.异形柱框架结构设计浅析[J].大众科技，2008(07).
[3]黄文治.异形柱框架结构设计分析[J].城市建设理论研究2012(09).