1、异形柱结构特点及设计问题探讨摘要：近年来，异形柱框架或异形柱框架一剪力墙结构作为一种全新的结构形式广泛用于小高层住宅建筑中，相对于传统的短肢剪力墙或框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。本文在此从异形柱结构的特点出发，对设计过程中的几个问题做了深入的研究。 关键词：异形柱；结构设计；问题 Abstract: In recent years, special-shaped column frame or special-shaped column frame and shear wall structure is a new structure form
2、 is widely used in small high-rise residential buildings, compared with the traditional short limb shear wall and frame structure, can better meet the needs of building and the cost is reduced slightly, so it has better economic benefit and social benefit. This paper from the special-shaped column s
3、tructure characteristics take deep research on the design of some problems in the process. Key words: special-shaped column; structural design; problem 中图分类号：TU2 一、异形柱结构特点及设计的基本规定 异形柱是截面几何形状为 L 形、T 形、十形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于 4 的柱。异形柱肢厚一般同墙厚，肢高不小于 500mm。与普通的矩形柱结构相比，异形柱结构存在以下主要特点： 1、由于异形柱肢厚较小，柱肢高厚比较大，抗扭性能差，异
4、形柱柱肢相交处应力集中，甚至产生严重的翘曲变形。因此，异形柱结构平面布置应力求简单、对称、规则，刚度和承力、质量分布均匀，纵、横向框架柱对齐拉通，以减小地震作用下的扭转效应。对薄弱部位可合理布置部分剪力墙或一般框架柱。 混凝土异形柱结构技术规程对不规则的异形柱结构提出了更严格的要求。 2、异形柱柱肢厚度小，延性比普通矩形柱差，轴压比是影响异形柱破坏形态以及延性的一个非常重要的因素。因此，为保证异形柱具有足够的延性， 混凝土异形柱结构技术规程对异形柱轴压比的限值要求比建筑抗震设计规范对矩形框架柱的要求要严得多。工程设计时，应严格按规程的要求控制轴压比，防止异形柱出现小偏压破坏，提高异形柱的变形能
5、力，满足抗震要求。 3、异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，异形柱截面形状特殊，在双向偏心压力作用之下，其截面中和轴通常不与弯矩作用方向垂直，也不与截面边缘平行，其位置随截面尺寸、混凝土强度等级、配筋、弯矩作用方向角及大小等诸多因素变化而变化，这使得异形柱在双向偏心压力作用下的受力性能十分复杂。实验研究表明：异形柱的双向偏心受压的正截面承载力随荷载作用方向的不同而存在很大差异，特别是 L 形柱最为明显。因此，在对异形柱结构进行计算时，必须按双向偏压进行计算。另外，异型柱柱肢长度不等时，异形柱在双向偏心压力作用下，其受力情况更加错综复杂，为使异形柱结构有很好的整体受力性能特别是抗震性能，
6、异形柱宜选用等肢异型柱，当采用不等肢异型柱时，肢长、肢厚相差不应过大。 4、考虑到异形柱受力的特点， 混凝土异形柱结构技术规程对异形柱全截面最小配筋率的要求比混凝土结构设计规范对矩形柱的要求更加严格。 值得一提的是，当用 PKPM 程序进行异形柱结构计算时，异形柱计算结果中特定位置钢筋(及柱肢端部及柱肢重叠区域)和其余位置钢筋分别标出，两种钢筋面筋之和满足规程对异形柱全截面配筋率的要求。但笔者认为，特定位置钢筋(及柱肢端部及柱肢重叠区域)为受力钢筋，应满足规程对异形柱全截面配筋率的要求，而其余位置钢筋为分布筋，只有当受力钢筋间距不满足规程要求时才需要布置，且分布筋直径采用 12即可。因为即使在
7、双向偏心压力作用下，分布钢筋对于异形柱抗弯承载力的贡献要比柱肢端部钢筋小得多。 二、异形柱结构主要构造要求 根据异形柱受力的特点， 混凝土异形柱结构技术规程异形柱结构的构造措施要求更加严格，具体要求详见规程，笔者认为以下几点在设计中应引起注意。 1、结构材料 异型柱结构中，梁、柱、墙的厚度较薄，为保证结构构件的整体与局部有足够的强度，混凝土的强度等级不应低于 C25，且不应高于 C50;由于其结构构件的厚度较薄，钢筋数量过于密集时，不但造成施工困难，混凝土也难于浇捣密实，因此，异型柱结构的纵向钢筋宜采用高强钢筋。2、梁截面尺寸 梁截面高度太小会使柱纵向钢筋在节点核心区内的锚固长度不足，容易引起
8、锚固失效，损害节点的受力性能，特别是地震作用下的抗震性能。 3、柱截面尺寸 异形柱肢厚小于 200mm 时，会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，因此，异形柱截面的肢厚不应小于 200mm，也不宜大于 300mm。规程规定，异形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于 4，肢高不应小于 500mm。异形柱结构主要用于住宅建筑，一般层高为 3000mm，在工程设计中一般取异形柱肢长 500600mm 为宜，肢长超过 600mm 时易形成短柱，不利于抗震且不经济。 4、受力钢筋最大配筋率 异形柱肢厚较薄，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，为了减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难，异形
9、柱全部纵向受力钢筋的最大配筋率比普通矩形柱低，抗震设计时不应大于 3%。在地震作用组合内力作用下，梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉、另一侧受压，对于异形柱框架梁柱节点易引起纵向钢筋在节点核心区锚固破坏。为保证梁的支座截面有足够的延性， 混凝土异形柱结构技术规程对二级、三级抗震等级的框架梁梁端的纵向受拉钢筋最大配筋率是根据单筋梁满足 xh0的条件给出，与普通矩形柱框架结构不同，未考虑受压区钢筋的作用，其最大配筋率小于普通矩形柱框架结构的框架梁。 5、梁纵向受力钢筋直径 矩形柱框架结构的框架梁纵向钢筋伸入节点后，其相对保护层一般较厚，而异形柱的柱肢截面厚度小，梁纵向钢筋在节点的粘结能力小于矩形
10、柱框架，故抗震设计时， 混凝土异形柱结构技术规程对贯穿中间节点的框架梁纵筋直径严于矩形柱框架结构。 三、在实际的设计工程中应该注意的几点问题 1、结构体系的选择 当某一住宅房屋高度小于 21m 时，若选用异形柱框架结构体系，此时异形柱框架的抗震等级为四级，由于规程对四级抗震等级的异形柱框架限制条件较少，结构设计较易满足规程要求。 当某一住宅房屋高度小于 24m、大于 21m 时，仍可选用异形柱框架结构体系，框架梁支座处钢筋有可能会较密;若取贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径20mm，则要求异形柱肢长度600mm，此时异形柱较易形成短柱。对于此种情况，若采用异形柱框架-剪力墙结构，剪力墙抗震等级为三级
11、，异形柱框架的抗震等级为四级，也许更合理。 2、结构平面布置 异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系，根据结构平面布置和受力特点，可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式，特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置宜使结构平面刚度均匀对称，尽量控制或减小扭转效应：竖向布置注意体型力求简单规则，避免过大的外挑内收，避免楼层刚度沿竖向突变；柱网尺寸不易过大，一般不超过 6m，柱矩大梁高也大，一方面建筑净空难以满足要求，另一方面柱承受的轴力也大，轴压比高，于抗震不利。为保证梁板对异形柱节点的约束，宜采用现浇楼盖。 3、轴压比及柱配筋 对于柱而言，控制其延性的因素很多，不管对矩形柱还是异形柱，轴压比无疑是
12、最重要的控制条件之一，其侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降，对异形柱更应从严控制。这可以通过控制柱距、采用轻质墙体、优化结构平面布置改善。柱肢端承受梁传来的集中荷载，局部压应力大，可设置暗柱。据经验表明：带暗柱异形柱与普通异形柱相比，承载力及延性和耗能能力有显著提高。 异形柱截面的剪力中心与截面形心不重合，剪应力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪压构件出现裂缝，产生腹剪破坏，导致柱脆性显著，延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出现单纯翼缘受压，此时柱的延性最差，因此需要进一步提高异形柱的抗剪能力。除此之外，尽量避免短柱的出现，对剪跨比小的短柱要采取相应的加强措施，以免形成薄弱环节。 四、总结 综上所述，异形柱结构由于其在满足建筑功能、改善住宅室内空间效果等方面比普通矩形框架结构有较大的优势，在多层及小高层住宅中应用越来越广泛。但异形柱抗震性能较差，异形柱受力较复杂，节点施工质量不易得到满足，设计者应充分了解异形柱结构的受力特点，熟悉混凝土异形柱结构技术规程及设计计算软件，结合以往工程经验，从概念设计到结构计算以及构造措施等方面保证结构的既安全可靠又经济合理。 参考文献： 【1】钢筋混凝土异形柱结构设计浅析 余时波 2006 四川建筑科学研究； 【2】关于异形柱结构设计的几个问题 余时波 2005 四川建筑科学研究； 【3】刘卓异;异形柱框架结构设计常见问题J;山西建筑;
