混凝土异形柱结构的受力性能、基本构造与应用有关问题的探讨

詹焕辉

随着社会的发展、人均收入和生活水平的不断提高，普通的框架矩形柱住宅结构已经不能满足人们对居住环境的需求。现代住宅建筑要求大开间，平面及房间布置灵活、方便，室内不能出现柱角、露梁等。因此，异形柱结构能较好地满足现代住宅及其建筑要求，因而受到了广泛推广。本文从异型柱的概念、受力性能、基本构造以及与其他相似结构的区别等方面进行了探讨，供结构设计人员参考。

一、异型柱的概念

异形柱是指根据建筑平立面设计、布置、使用功能的需要，在满足结构强度、刚度和稳定性等前提条件下，采取不同几何形状截面而成的柱，诸如T、L、十字（不含Z字形）形状截面的柱。在构造上，异形柱截面一般要求各肢厚度不宜大于300mm，肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。

二、异型柱的受力性能与基本构造

异形柱各肢肢长可以相等，也可以不相等，但提倡采用等肢异形柱。异形柱由于多肢的存在，其受力中心与截面形心往往不重合。在受力状态下，各肢会产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力会使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，增加异形柱的脆性，从而降低异形柱的变形能力。为了尽可能达到异型柱本身的受力均衡性，提高结构的抗震性和破坏延性，结构设计人员可以在抗震设计时采用等肢异形柱；在整体梁柱结构布置时，尽可能采用对称布置，使结构和各构件受力更均衡。

异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构的不同。由于异形柱截面不对称，在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。因此，结构设计人员应按照空间体系来考虑异形柱结构，优先采用具有异形柱单元的计算程序来分析内力。因异形柱和剪力墙受力不同，所以不能按剪力墙的建模来计算异形柱。作为异形柱延性的保证措施，结构设计人员必须在计算过程中严格控制轴压比，同时避免剪跨比小于2（短柱）或柱净高与柱肢截面高度之比小于4，并且剪跨比在抗震设计时不应小于1.5。针对剪跨比小于2的异形柱，轴压比限值应比大于2的异形柱相应数值减少0.05；二三级抗震等级柱的箍筋体积配箍率不应小于1.2%；当三四级抗震等级异形柱的剪跨比小于2时，箍筋间距不应大于100mm，箍筋直径不应小于8mm，且全高加密。因此，采用异形截面柱的建筑在设计中应尽量避免出现短柱，并在构造上采取加强措施。

控制柱截面轴压比的目的在于要求柱应具有足够大的截面尺寸与抵抗强度，以提高柱的变形能力和破坏延性，满足抗震要求。根据异形柱的形状、自身的受力性能和外部受力状况，其轴压比也会有所不同。在相同的抗震等级条件下，L形轴压比限值最小，T形轴压比较大，十字形轴压比最大。

当然，异形柱也和其他结构构件具有相同或相似的构造要求，如异形柱、梁的纵向受力钢筋的接头可采用焊接、机械连接或绑扎搭接，接头位置宜设在构件受力较小处。在层高范围内，异形柱的每根纵向受力钢筋接头数不应超过1个，它的纵向受力钢筋在同一连接区段的接头面积不应大于50%，连接区段的长度应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定来确定。

三、异型柱与矩形柱、短肢墙、普通剪力墙的区别

建筑界所讲的“异形柱”特点，是指截面肢薄，由此引起构件的受力、变形、构造做法、受力性能与矩形柱、短肢墙、普通剪力墙的一系列差异，其形式与短肢墙相似，但不能按短肢墙建模来计算。按照规定，异形柱与矩形柱、短肢墙、普通剪力墙在定义上的区别主要表现在截面高宽比的不同，即矩形柱高宽比应小于或等于3，且柱截面不宜小于250mm；异形柱截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高与肢厚比小于4，肢厚小于300mm，但不应小于200mm，肢高不小于500mm；短肢剪力墙是指墙肢高与墙肢的厚度比不小于4且不大于8的剪力墙结构，常用的有T字形、L形、十字形、Z字形、折线形，它与普通剪力墙的区别在于普通剪力墙肢高与墙肢的厚度之比大于8。

异形柱与矩形柱、短肢墙、普通剪力墙的区别主要表现在受力变形、破坏形式不同。

（1）异形柱受力形式接近矩形框架柱，即剪切变形、双向偏压，计算时应该按柱输入。一字形柱截面（通常称扁柱）两主轴方向抗弯能力相差甚大。不论是在风荷载、梁板荷载的作用下，还是在地震的作用下，结构中的柱一般都要受到两个方向的弯矩同时作用。由于截面厚度太单薄，它在双向剪力作用下的性能也存在缺陷。由GB50011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。因此，框架柱在截面最小宽度方面有限制，即不宜小于250mm，而异形柱与短肢墙、普通剪力墙均不宜采用一字形，特别是抗震结构中。因此，结构设计人员应尽量少用和慎用柱截面宽度只能是200mm的一字形柱、截面高宽比不大于5的矩形柱，特别是抗震结构中。如果必须采用这类异形柱，也只能使用局部小跨度、低层结构高度低和受力状况不复杂的结构，而且还要采取更加严格的构造措施，如加大配箍率、加密箍筋、加大箍筋截面、降低结构柱限制轴压比等。

（2）普通剪力墙受力变形是剪弯变形，计算时按墙输入。短肢剪力墙变形接近于普通剪力墙。

（3）异形柱与矩形柱、短肢墙、普通剪力墙的延性也不相同，普通剪力墙最大，其次是短肢剪力墙，异形柱最小。所以，它们的适用范围不同，构造也不相同。

四、总结

异形柱其实是介于柱与剪力墙之间的一种构件，它的产生和许多新生事物一样，具有很强的生命力和竞争力，并且受到了大力的推广和广泛的应用。随着国家行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》的颁布，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，受到了房地产开发商和广大用户的欢迎。由于它符合室内布置的要求，且与墙体（指填充墙）连接效果良好，在我国许多省市的住宅建筑中广泛应用。但对异形结构的应用尚处于初始阶段，还没有形成系统的理论研究，国家现行规范没有对一些具体与异形柱混用的结构作出明确的规定。如国家现行规范中规定异形柱结构中不应采用部分由砌体墙承重的混合结构形式，但在实际应用中，异形柱结构的最顶层是可以采用砌体墙承重的混合结构形式，但该砌体墙承重的混合结构层应按抗震要求设置构造柱与圈梁，并且这种设计最顶层异形柱框架结构受力与完全采用异形柱框架结构受力形式是一样的。根据建筑布置及结构受力的需要，异形柱结构中的框架柱可以全部采用异形柱，也可以部分采用普通的框架柱。当根据建筑功能需要设置底部大空间时，可以通过框架底部抽柱，并设置转换梁，形成底部抽柱带转换层的异形柱结构。

总之，异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构有着较大的市场需求。设计人员应根据其受力特点，提高异形柱结构设计的理论水平，选择合理的结构形式。并且只有正确掌握了计算机的分析方法，在确保其结构合理与经济适用的前提条件下，保证其结构的安全、可靠。运用计算机进行正确的结构分析与截面配筋，规范与归纳已成体系的异形柱设计理论和实践经验，并深入研究与推广应用，贯彻执行国家技术经济政策，为混凝土异形柱结构在设计及施工中做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量保驾护航。

（作者单位：江西省新闻出版职业技术学院后勤保障处）