异形柱在框架住宅中的应用与发展

裘国强

摘 要：介绍了异形柱在框架住宅中的发展历史、研究现状和应用前景，陈述了异形柱的优点以及对异形柱的研究主要采用了刚度等效原则、面积及惯性矩等量原则等计算方法。探讨了异形柱的结构设计，指出在纵横墙交接处布置采用T形、十字形、L形等异形柱，可以完全消除室内框架柱凸角，有效提高使用面积，更好地满足人们的使用要求。

关键词：异形柱； 住宅建筑； 应用；设计方法

所谓异形柱，就是除矩形、圆形以外的截面形式，如T形、十字形、L形等截面形式， 仅由钢筋混凝土异形柱作为竖向构件组成的结构体系， 称之为异形柱框架结构。十年代以来，尤其是改革开放以来，国内所建住宅绝大多数是砖混结构，这种结构比一般框架结构住宅有明显的优点，一般框架结构住宅多是矩形柱或方形柱，建成后难免在室内留下许多柱楞，既有碍观瞻，又影响家具的摆放，给住户使用带来不便与麻烦。而砖混结构有以下优点：造价低廉、取材方便、技术简单、施工容易等，同时它还存在许多缺点，使用大量实心粘土砖，而粘土砖是耗费大量肥沃土地和大量煤炭得来的，而我们的可耕地在一年一年地减少，人口在一年一年地增多，势必与人争地，毁坏大量可耕土地，这有悖于我国的基本国策——必须十分珍惜我们的每一寸耕地；而且还应看到，我国现已做出了禁止使用粘土砖的规定，限期实施。因此，用异形柱框架取代砖混结构来建造住宅已越来越受人们的欢迎。

1.异形柱的历史形成与发展

这种结构最早是由天津市在七十年初开始采用的。之后又从1988年起，经历了三年的持续发展，逐步在住宅建设中推广了框架结构体系，至今为止，天津市已建成的这种结构住宅面积累计已达1000多万平方米。天津市的实践表明，异形柱框架结构住宅具有良好的经济效益，环境效益及社会效益，并愈来愈显示出其良好的发展前景。为此，天津市把这种结构体系确定为今后重点发展的住宅建筑结构体系。

石家庄前些年有这种体系的住宅出现，它位于市东南郊的燕港怡园内，采用的是异形柱框剪力墙结构，使房间布局规整，有效增大了室内使用面积，而且墙体分隔灵活，便于住户装修改造。同时，这种住宅的抗震性能也优于砖混结构。它一出现，即受到了当时市民的关注与厚爱，纷纷前去参观，购买，充分显示出其无可比拟的先进性和前瞻性，值得在其它城市大量推广使用，满足人们群众对居住环境改善的需要。

2.异形柱结构的现状

2.1异形柱在国内的研究状况

在国内，对钢筋混凝土柱的研究已经有了较多的研究，主要是通过实验性研究和数值模拟。通过注意横向加固在方形截面柱中的限制作用来研究普通强度和高强度柱的性能。通过实验观察柱的破坏、强度、延展性和后期性能的特征并用数值模拟解决。在用混凝土做成的标准模型的基础上，建立三维空间的计算模型并且与实验数据作比较。数值模拟结果显示出许多方面的一致性，而且证明了所用材料模型的性能，但是，对异形柱的研究还存在一定的局限性。

20世纪80年代，随着国内钢筋混凝土异形柱的推广应用，国内对于异形柱结构的研究（包括构件、平面框架和空间结构的整体性能等）已成为混凝土结构领域的一个热门课题[1]。对异形柱截面方面的研究，主要集中在高等院校和个别设计院。大连理工大学王丹等，进行了T形、N形和十字形截面混凝土双向偏压构件试验研究，提出了无量纲形式的承载力相关曲线，对有量纲相关曲线作出了改进。徐向东（山东建筑工程学院）、巩长江（天津大学）等，对T形、N形截面框架柱，在单周及低周反复荷载作用下受剪性能进行了试验研究，揭示了异形柱受剪承载力的规律。天津大学曹祖同、李立中进行了钢筋混凝土异形柱框架节点强度的试验研究，对"12个异形柱（T形、N形和十字形）和8个矩形柱的足尺板柱节点和梁柱节点试件，進行了反复荷载作用下受力过程和破坏特性的试验研究和分析对比，结果表明：1）在板的正常配筋条件下，板柱节点是不会破坏的；2）P种截面中，N形截面柱节点承载力最低。清华大学陈勤等，以K形斜撑为代表，采用杆系空间分析模型，对异形柱框架M斜撑结构的典型工程算例进行了理论分析，研究表明：斜撑与框架的连接，不论采用刚接或是铰接，两种计算结果差距很小；）异形柱框架"斜撑结构在水平地震作用下，具有同框架"剪力墙结构类似的水平位移特性，呈“弯曲"剪切”型。曹万林等进行了异形柱空框架模型抗震研究，初步分析了结构的强度、刚度、延性及破坏特征。西南交通大学建筑工程系罗永坤等，结合具体工程，对异形柱框架剪力墙结构进行了动力时程分析。

2.2异形柱在国外的研究状况

在国外，1983年～1993年间印度学者、美国学者及土耳其学者对L型和T型双向偏压柱进行了理论分析和试验研究，并提出了双向偏压柱的经验计算公式。

对钢骨混凝土异形柱的研究只是在近几年，而且主要集中在少数院校对其构件的研究。目前用于钢骨混凝土异形柱的研究主要有桁架式钢骨（即空腹式钢骨混凝土柱）和实腹式钢骨混凝土异形柱两种形式[2]。

2.3取得的研究成果

在定性方面，异形柱截面变形基本符合平截面假定；异形柱截面构件与矩形截面构件在受力、强度、刚度、延性等方面存在显著差异，设计和计算必须使用不同的公式和方法，异形柱截面较矩形截面向外分布，增强了抗弯能力，但对异形柱的抗剪能力有削弱，异形柱对荷载的方向敏感，抗扭刚度较差。

在定量方面，初步提出了正截面承载能力和斜截面承载能力的计算查用表格和实用简化的计算公式，对异形单根柱非线性分析的基本假定、计算模型、基本理论进行了研究，并提出了异形截面双向压弯柱的截面延性计算公式[3]。

3.异形柱的优点

通过异形柱在框架住宅中的应用，归纳出其有以下几方面的优点：（1）柱肢厚通常采用180mm～200mm，肢厚基本与填充墙等厚，框还增加了房间的使用面积，比相同形式的砖混结构可增加约8%～10%的使用面积；（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）虽然增加了施工难度，但因扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用，综合考虑总体经济效益较好[4]。

4.异形柱在设计和应用中的几个问题的探讨

4.1 结构平面布置问题

建筑设计时应与结构专业密切配合，尽量减小柱网。因为这种结构可以做到室内不露粱柱。柱网小一些不会影响使用，梁和柱肢的宽度一般均控制在b=200 mm以内。 配筋也尽量控制在构造配筋附近，从而使粱柱节点处的配筋构造简化。如果用大柱网，就难于按构造配筋，梁和柱节点施工时会遇到困难。而且大柱网的轴压比较难控制。结构的经济性不显著.所以异形柱框架结构在多层住宅中应用时不宜用大柱网布置。

4.2 异形柱的轴压比问题

抗震设计中柱轴压比反映柱构件的变形能力，是影响柱破坏形态的重要因素。因此，须严格控制柱轴压比。一个工程在进行柱网布置之前，应首先估算柱断面。根据广东省标准，异形柱的轴压比限值可按《混凝土结构设计规范）GBJlO一89中的数值减少0.05取用[5]。

4.3 异形柱的配筋构造问题

在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点， 柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力， 进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时， 应在肢端设暗柱， 暗柱的外排钢筋由计算而定。离端部厚度范围内设2根直径为14的构造纵筋， 箍筋同柱， 这样可限制柱肢的混凝土裂缝的开展， 提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。柱上的箍筋不仅能抗剪， 也可约束混凝土变形， 增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍， 因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下， 箍筋直径大， 其延性指标好， 因而箍筋且用直径为8、10， 其间距可比普通柱箍筋间距小。

4.4 异形柱结构计算方面的问题

由于异形柱截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按混凝土设计规范计算，特别是在框一剪、框一筒结构中，对6度及其以下烈度区的I类，Ⅱ类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。现在有一些软件没有异形柱截面形式，如要用它进行计算，要先进行等刚度等面积换算成矩形柱，进行整体分析，得到双向内力后再进行异形柱的截面设计，其工作量相当大，且截面设计的可靠性不高。

5.异形柱的发展前景和新动态

目前，异形柱结构在全国得到了推广应用，2004年仅南宁市异形柱框架结构总建设规模近3O万。异形柱的应用也取得了较好的效果，2001年开工建设的广西第一个康居示范工程项目——翡翠园小区采用了异形柱结构，与普通柱结构相比较在增加建筑有效使用面积约3%的情况下，节约造价约3%，其中节约钢材用量约6%-8%，节约水泥用量约2%。因此异形柱结构可在一定程度上减少能耗，合乎现代建筑设计的理念，并能取得较好的经济和社会效益。

要改善结构构件的性能已经有多种途径。从材料上来说，可采用新的高性能材料或复合材料，例如钢纤维混凝土等。从结构类型上来说，可采用钢骨混凝土异形柱结构。钢骨异形柱是随着异形柱结构的应用而出现的一种新的结构形式。通过分析比较可以看出，钢骨异形柱能明显提高异形柱的延性和承载力。钢骨混凝土异形柱由于其配置钢骨的不同，性能也会有一定差异[7]。

当然异形柱结构在使用中也存在一些需要克服的问题，如柱肢较长时会影响门窗洞口的布置位置，对空间的灵活布置会有一定影响；梁宽度受到柱肢尺寸的限制，影响了梁的适用跨度，如果梁宽大于柱肢宽度，则又会产生突露棱角的问题；梁柱节点处面积通常较小并且钢筋交汇在一起，增加了施工难度等等。通过比较可以看出，异形柱结构存在的这些问题与其优点相比较可以认为是次要的。

6.结束语

异形柱结构作为一种新型的结构，对它的试验研究和理论研究还处于起步阶段，对它的计算方法还处于摸索阶段，由于截面比较复杂，所以它在实际应用中还存在许多亟待解决的问题，但是，由于其自身诸多的优势，在未来必将有巨大的市场需求，其应用前景将非常广阔。

参考文献

[1]黄光辉.混凝土结构性能研究进展[J].山西建筑，2008.10，33（29）：98-99

[2]覃睿，梁荣耀，张斌.钢骨混凝土异形柱结构性能研究进展[J].广西城镇建设，2006.9：26-28

[3]蔡万军，郑廷银.异形柱的应用和发展[J].钢结构，200722（91）：13-16

[4]周艳.异形柱框架结构设计浅谈[J].工程建设与设计.2008，（1）：29-30

[5]叶靖，叶劲彤.浅谈异形柱框架结构的设计[J].工程建设与管理，2007：162-164

[6] 陈静.异形柱结构特点及设计要点[J].建厂科技交流， 2008.3，34（1）：59-63

[7] 張喜德，杨涛，许伟军，李东超.混凝土异形柱结构特点及其应用分析[J].广西工学院学报， 2007.3，18（1）：60-63