住宅建筑异形柱框架结构设计相关问题讨论

杭 彧 刘文涛

(苏州土木文化中城建筑设计有限公司，江苏 苏州215131)

造型新颖、大空间、多功能以及空间布局上的高灵活性等特殊需求在现代民用建筑中已经表现得十分突出。在这些建筑中，异形柱结构得到了广泛地运用。与普通钢筋混凝土结构相比，异形柱结构无论在受力特性，还是在设计计算方法上都有着其特殊性。结构设计人员必须深刻认识、准确把握异形柱结构的概念、受力特性以及设计计算方法，从而保证设计出的结构能够同时满足安全性、经济性和实用性的要求。

1 异形柱概念及其优点

1.1 异形柱的概念及常见形式

异形柱（SpeciallyShapedColumn）是指截面形式与常规矩形截面存在差异的柱。异形柱的使用主要是为了满足结构物使用功能或是空间布置上的要求，异形柱的使用必须以满足结构刚度和承载能力等要求为基本前提。常见的异形柱有T形、L形以及十字形等截面形式，并且这些异形截面各肢高与厚的比值还应不超过4。根据异形柱各肢的长度是否相等，又可将异形柱分为等肢与不等肢两种，抗震设计时宜采用前者。

1.2 异形柱结构的优点

在传统框架结构柱中，矩形截面有着绝对的份量，但是考虑到柱截面尺寸与墙体厚度的差异，在建筑物内部往往都可以碰到大量的裸露柱角，这些裸露柱角在很大程度上影响了住宅内部的空间布置。住户都希望框架、框剪结构等能够与砖混结构一样，让房屋内部墙面、四角平整无凹凸面。而异形柱结构的优势就在于此，它能够与墙体很好地衔接，在满足承载能力要求的同时实现美观与功能上的要求。

2 异形柱受力特性及其轴压比控制

2.1 异形柱受力特性

大量的试验研究表明：与普通矩形截面柱相比，异形柱截面形心与剪心之间存在位置偏差，在外荷载作用下其各肢截面有翘曲正应力与剪应力产生，剪应力直接导致各肢混凝土开裂形成腹剪裂缝，相应地降低了柱的延性。

进一步研究发现，异形柱轴压比、箍筋直径与间距以及高长比（柱净高/截面肢长）等因素与其延性有着密切的关系。其中，箍筋直径大小以及箍筋间距分别与双向压弯异形柱截面曲率延性成正比和反比，并且后者的影响程度远远大于前者，即增加配箍量对于提高异形柱截面延性有着显著作用。轴压比大小是决定异形截面双向压弯柱破坏特征的重要指标。而轴压比参数则与异形柱截面曲率延性呈现相反的规律，轴压比增长到一定限制，柱截面就会发生界限受压破坏，截面由延性较好的受拉破坏发展为延性最差的界限受压破坏。

2.2 异形柱轴压比控制

从构件形式上讲，异形柱实质上是短肢剪力墙与普通矩形截面柱之间的一种过渡性构件。相对于普通矩形柱，在荷载作用下，异形柱更容易呈现出一系列的脆性破坏特征。异形柱轴压比对其自身破坏形态以及变形能力有着重要的影响，因此有必要对该值的大小进行控制，避免柱截面尺寸过小，提高柱子本身的延性、增强其变形能力，保证不出现小偏压破坏。

现行《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）中规定：对于抗震等级二级的异形柱框架结构，L形截面柱轴压比不得超过0.5，T形截面柱轴压比不得超0.55，十字形截面柱轴压比不得超过0.60。而在抗震等级二级的异形柱框架-剪力墙结构中，剪力墙是抗震的第一道防线，框架是第二道，因此相应截面形式异形柱的轴压比限制均相对放宽0.5，即为：0.55、0.60、0.65。抗震等级为三、四级的异形柱框架结构及异形柱框架-剪力墙结构也有类似的规律。

3 异形柱结构设计计算及构造措施

3.1 异形柱结构设计计算方法

由于异形柱结构有着其自身的特点，这也使得结构受力性能与普通结构存在差异。在抗震设防地区，以地震、风荷载等为代表的水平荷载、水平作用影响下，异形柱因为其截面的不对称性而呈现双向偏心受压状态，这种状态直接降低了结构构件的承载能力。因此，在设计过程中，应将异形柱结构视为空间体系，尽量选用自带异形柱单元的设计软件、设计程序进行结构内力与位移计算分析。在现实工作中，许多结构设计人员常将异形柱建模与剪力墙建模混为一谈，这两者的受力状态是存在本质性差异的，在设计计算时这种等同做法是不合理也不安全的，应当引起设计人员的高度重视。

如果没有自带异形柱单元的设计软件、设计程序可供使用，那么可以将异形柱结构等效为薄壁杆件模型进行处理。就异形柱框架结构而言，可以对其结构构件刚度采取等效折算处理，经等效折算处理后得到的普通框架结构可以代替原异形柱结构进行相应的结构内力、位移计算分析。但是需要注意的是，利用等效普通矩形柱框架结构计算出矩形柱的轴压比不能直接代表异形柱的轴压比，这主要是由于刚度相等的矩形、异形截面柱，其截面面积前者明显大于后者，二者比值通常在1.1-1.3之间。实际计算时，常用做法是利用矩形、异形柱截面面积比值对计算轴压比值进行放大处理。

3.2 异形柱结构设计构造措施

对于使用异形柱框架结构的住宅建筑，在设计中宜使用中长柱，避免因设置短柱而出现脆性压剪破坏。对此，可从构造上采取相应的加强措施。一方面，应以异形柱高长比限制规定为依据，严格控制异形柱的最大肢长；另一方面，还应重视对柱内部纵向钢筋、箍筋的控制，纵向钢筋的直径、间距、内折角处纵向受力钢筋的设置以及箍筋最大间距都是控制的重点项目。

此外，考虑到异形柱截面宽度相对较小，有必要对梁柱节点区域进行构造加强，使结构具备良好的延性，保证其变形能力，满足抗震的构造要求。设计过程中为控制钢筋骨架的垂直度，可以有选择性地确定柱各肢端部纵筋的直径。此外，对于异形柱与矩形柱交接区域，应对插入核心区的异形柱纵筋长度进行限制，与此同时加密异形柱中箍筋的配置以保证节点区域延性的基本要求。

4 结语

综上所述，异形柱框架结构在住宅建筑中有着非常广阔的应用前景，作为结构设计人员应当顺应市场的需求，从该结构自身的受力特性、受力原理出发，正确理解把握结构的破坏机理，合理使用计算机软件建模计算并能够对计算结果进行客观科学地分析处理，同时采取必要的构造措施，其设计的结构才能达到安全、美观、实用的基本要求。

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［2］刘占宗.浅谈异形柱与短肢剪力墙结构设计[J].住宅产业，2011(05).

［3］李钦华.探讨异形柱与短肢剪力墙结构设计相关问题[J].四川建材，2007(054).