异形柱结构设计及应注意的问题

刘耀升

摘要:异形柱结构是新型住宅结构体系，是当前我国住宅建设中几种主要结构体系之一。异形柱结构主要用于住宅、平面及竖向比较规则的一般民用建筑、别墅等。本文分析了如何加强异形柱的结构布置和计算,阐述了异形柱设计需要注意的问题。

关键词:异形柱，设计 ，问题

Abstract: the special-shaped columns structure is new residential structure system, in China''s current residential construction is one of several main structure system. Special-shaped columns structure is mainly used for residential, horizontal and vertical comparison of the general rules of the civil building, the villa, etc. This paper analyzes how to strengthen the special-shaped columns structure arrangement and calculation, this paper expounds the design of special-shaped columns problems needing attention.

Keywords: special-shaped columns, design, problem

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

近年来，异形柱框架或异形柱框架——剪力墙结构作为一种全新的结构形式广泛用于住宅建筑中，相对于传统的短肢剪力墙或框架结构，异型柱结构体系具有以下主要优点：（1）由于异形柱结构是采用T 形、L 形、十字形等截面的异形柱，柱肢厚基本与填充墙等厚,框架梁宽也同墙厚，室内不凸出梁柱，便于使用又美观，同时还增加了房间的使用面积。从建筑学角度也可称其为“隐式框架”。（2）围护墙通常是非承重的轻质隔墙，原则上允许任意穿墙打洞，甚至拆除重砌，这使得房间布置更加灵活，能更好地实现建筑功能的要求。（3）由于结构构件本身特点，虽然增加了施工难度，但由于扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用。（4）在小高层以及高层结构设计中，对比剪力墙结构以及短肢剪力墙结构，综合考虑总体经济效益较好。因此，异形柱结构具有更好的经济效益和社会效益。

1、混凝土异形柱框架的结构布置

合理的结构布置(包括平面布置及竖向布置)无论在非抗震设计及抗震设计中都有非常重要的意义，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，《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149--2006)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》GB 50011对一般钢筋混凝土结构的有关规定更为严格，这是根据异形柱结构抗震性能和抗震设计特点而提出的。

异形柱结构并不要求全部柱截面均为非矩形截面。在工程设计中，应根据结构的平面布置和受力特点，结合具体的建筑平面布置L形、T形、和十字形等异形柱，以充分发挥异形柱在建筑使用上和结构受力上的优点，从而得到良好的技术经济指标。结构布置在平面和沿结构高度上刚度和质量要均匀布置，以减小结构在地震过程中的扭转影响和防止出现薄弱层。另外，L形、T形和Z形截面异形柱的截面配筋具有非常明显的不对称性，试验表明就单个异形柱构件而言，其延性有较大缺陷。但是，试验和理论分析表明由对称布置的异形柱所组成的框架，由于相互对称的异形柱的优缺点能相互补充，具有较好结构延性，所以结构的平面布置上组成框架的异形柱应尽可能对称。异形柱的肢厚较薄，其中心线宜与梁中心线对齐，尽量避免由于二者中心线偏移对受力带来的不利影响，平面节点处(轴线交叉点处)应尽可能设柱，避免主次梁搭接：在多层住宅中，异形柱宜布置在房间中影响使用的墙角处，其他部位从受力合理和施工方便考虑宜布置成矩形柱。

2、混凝土异形柱框架的结构计算

无论是非抗震设计还是抗震设计，在竖向荷载、风荷载、多遇地震作用下混凝土异形柱结构的内力和变形分析，按我国现行规范体系，均采用弹性方法计算，但在截面设计时则考虑材料的弹塑性性质。在竖向荷载作用下框架梁及连梁等构件可以考虑梁端部塑性变形引起的内力重分布。异形柱的柱肢截面的肢高肢厚比限制在不大于4的范围，与矩形柱相比，其柱肢一般相对较薄，研究表明：这样尺度比例的异形柱，其内力和变形性能具有一般杆件的特征，并不满足划分为薄壁杆件的基本条件。故在计算分析中，异形柱应按杆系模型分析。按空间模型进行结构分析时，柱与梁均考虑弯曲、剪切、及扭转变形，二者的差异是，柱还应考虑轴向变形：而梁一般不考虑轴向变形，仅当有必要考虑楼板平面内变形时才考虑轴向变形。

框架结构中的非承重填充墙属于非结构构件，但框架结构中非承重填充墙体的存在，会增大结构整体刚度，减小结构自振周期，从而产生增大结构地震作用的影响。为反映这种影响，可采用折减系数¢给对结构的计算自振周期进行折减。

3、异形柱结构设计应注意的几个问题

一是柱轴压比控制在抗震设计中，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，轴压比反映构件的变形能力，是影响混凝土柱延性的一个关键指标，对异形柱的抗裂和抗剪能力影响较大，是影响柱破坏形态的重要因素。由试验结构分析，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。

二是节点构造由于异形柱截面宽度较小，因而在节点处应严格加强构造措施，以保证结构有较好的延性，达到“强节点强锚固”的抗震要求。通过限制异形柱各肢端部纵向钢筋直径来保证纵向钢筋骨架有良好的垂直度；采取柱的纵向钢筋贯穿中间节点和端点，杜绝节点核心区内接头，配置异形柱箍筋等措施保证达到延性要求。

三是柱与基础的连结由于异形柱截面形心比矩形柱难以确定，如果直接将异形柱连结到基础，给设计和施工都带来不便。另一方面，由于地基情况千变万化，同一幢建筑物的基础埋深经常有所不同，这样在基础梁与基础之间可能会形成短柱，对抵抗水平力极为不利。设计中通常将这段短柱设为矩形柱，底层异形柱与矩形柱相连并与基础梁连成整体，可以有效地减少水平力产生的应力集中，同时也方便基础放线定位施工。

四是混凝土施工由于异形柱截面形状复杂，尺寸较小，容易造成混凝土施工质量问题，给抗震带来隐患，故节点施工时，应制订专项质量保证措施。

4、结束语

异形柱结构具有广阔的应用前景，但其受力性能具有自己的独特性，在设计中根据其受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的柱网布置形式，正确掌握计算机分析方法加上人为分析，合理选择截面尺寸及配置截面钢筋，使结构具有可靠的安全保证。

参考文献：

1.高玲玲,张学辉,李彦辉.钢筋混凝土异形柱节点受剪承载力研究[J].价值工程.2010(20)

2.吴苏龙.混凝土异形柱结构抗震设计中常见问题[J].泰州职业技术学院学报.2009(01)

3.赵谦,陈云霞,赵艳静.钢筋混凝土异形柱结构体系的研究现状浅析[J].天津科技.2011(02)

4.郭正烜.关于异形柱框架结构应用的几个问题[J].山西煤炭管理干部学院学报.2011(02)