混凝土異形柱結構的受力性能、基本構造與應用有關問題的探討

詹煥輝

隨著社會的發展、人均收入和生活水平的不斷提高，普通的框架矩形柱住宅結構已經不能滿足人們對居住環境的需求。現代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內不能出現柱角、露梁等。因此，異形柱結構能較好地滿足現代住宅及其建筑要求，因而受到了廣泛推廣。本文從異型柱的概念、受力性能、基本構造以及與其他相似結構的區別等方面進行了探討，供結構設計人員參考。

一、異型柱的概念

異形柱是指根據建筑平立面設計、布置、使用功能的需要，在滿足結構強度、剛度和穩定性等前提條件下，采取不同幾何形狀截面而成的柱，諸如T、L、十字（不含Z字形）形狀截面的柱。在構造上，異形柱截面一般要求各肢厚度不宜大于300mm，肢厚不應小于200mm，肢高不應小于500mm。

二、異型柱的受力性能與基本構造

異形柱各肢肢長可以相等，也可以不相等，但提倡采用等肢異形柱。異形柱由于多肢的存在，其受力中心與截面形心往往不重合。在受力狀態下，各肢會產生翹曲正應力和剪應力。由于剪應力會使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現裂縫，即產生腹剪裂縫，增加異形柱的脆性，從而降低異形柱的變形能力。為了盡可能達到異型柱本身的受力均衡性，提高結構的抗震性和破壞延性，結構設計人員可以在抗震設計時采用等肢異形柱；在整體梁柱結構布置時，盡可能采用對稱布置，使結構和各構件受力更均衡。

異形柱結構自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結構的不同。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，結構設計人員應按照空間體系來考慮異形柱結構，優先采用具有異形柱單元的計算程序來分析內力。因異形柱和剪力墻受力不同，所以不能按剪力墻的建模來計算異形柱。作為異形柱延性的保證措施，結構設計人員必須在計算過程中嚴格控制軸壓比，同時避免剪跨比小于2（短柱）或柱凈高與柱肢截面高度之比小于4，并且剪跨比在抗震設計時不應小于1.5。針對剪跨比小于2的異形柱，軸壓比限值應比大于2的異形柱相應數值減少0.05；二三級抗震等級柱的箍筋體積配箍率不應小于1.2%；當三四級抗震等級異形柱的剪跨比小于2時，箍筋間距不應大于100mm，箍筋直徑不應小于8mm，且全高加密。因此，采用異形截面柱的建筑在設計中應盡量避免出現短柱，并在構造上采取加強措施。

控制柱截面軸壓比的目的在于要求柱應具有足夠大的截面尺寸與抵抗強度，以提高柱的變形能力和破壞延性，滿足抗震要求。根據異形柱的形狀、自身的受力性能和外部受力狀況，其軸壓比也會有所不同。在相同的抗震等級條件下，L形軸壓比限值最小，T形軸壓比較大，十字形軸壓比最大。

當然，異形柱也和其他結構構件具有相同或相似的構造要求，如異形柱、梁的縱向受力鋼筋的接頭可采用焊接、機械連接或綁扎搭接，接頭位置宜設在構件受力較小處。在層高范圍內，異形柱的每根縱向受力鋼筋接頭數不應超過1個，它的縱向受力鋼筋在同一連接區段的接頭面積不應大于50%，連接區段的長度應按現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB 50010的有關規定來確定。

三、異型柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的區別

建筑界所講的“異形柱”特點，是指截面肢薄，由此引起構件的受力、變形、構造做法、受力性能與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的一系列差異，其形式與短肢墻相似，但不能按短肢墻建模來計算。按照規定，異形柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻在定義上的區別主要表現在截面高寬比的不同，即矩形柱高寬比應小于或等于3，且柱截面不宜小于250mm；異形柱截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高與肢厚比小于4，肢厚小于300mm，但不應小于200mm，肢高不小于500mm；短肢剪力墻是指墻肢高與墻肢的厚度比不小于4且不大于8的剪力墻結構，常用的有T字形、L形、十字形、Z字形、折線形，它與普通剪力墻的區別在于普通剪力墻肢高與墻肢的厚度之比大于8。

異形柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的區別主要表現在受力變形、破壞形式不同。

（1）異形柱受力形式接近矩形框架柱，即剪切變形、雙向偏壓，計算時應該按柱輸入。一字形柱截面（通常稱扁柱）兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風荷載、梁板荷載的作用下，還是在地震的作用下，結構中的柱一般都要受到兩個方向的彎矩同時作用。由于截面厚度太單薄，它在雙向剪力作用下的性能也存在缺陷。由GB50011柱雙向受剪承載力計算公式可見，柱截面相鄰兩邊長相差越多，其斜向受剪承載力越低。因此，框架柱在截面最小寬度方面有限制，即不宜小于250mm，而異形柱與短肢墻、普通剪力墻均不宜采用一字形，特別是抗震結構中。因此，結構設計人員應盡量少用和慎用柱截面寬度只能是200mm的一字形柱、截面高寬比不大于5的矩形柱，特別是抗震結構中。如果必須采用這類異形柱，也只能使用局部小跨度、低層結構高度低和受力狀況不復雜的結構，而且還要采取更加嚴格的構造措施，如加大配箍率、加密箍筋、加大箍筋截面、降低結構柱限制軸壓比等。

（2）普通剪力墻受力變形是剪彎變形，計算時按墻輸入。短肢剪力墻變形接近于普通剪力墻。

（3）異形柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的延性也不相同，普通剪力墻最大，其次是短肢剪力墻，異形柱最小。所以，它們的適用范圍不同，構造也不相同。

四、總結

異形柱其實是介于柱與剪力墻之間的一種構件，它的產生和許多新生事物一樣，具有很強的生命力和競爭力，并且受到了大力的推廣和廣泛的應用。隨著國家行業標準《混凝土異形柱結構技術規程》的頒布，砼異形柱結構將建筑美觀、使用功能的靈活性與建筑結構合理的受力性能有機地結合起來，為用戶提供了理想的居住環境，受到了房地產開發商和廣大用戶的歡迎。由于它符合室內布置的要求，且與墻體（指填充墻）連接效果良好，在我國許多省市的住宅建筑中廣泛應用。但對異形結構的應用尚處于初始階段，還沒有形成系統的理論研究，國家現行規范沒有對一些具體與異形柱混用的結構作出明確的規定。如國家現行規范中規定異形柱結構中不應采用部分由砌體墻承重的混合結構形式，但在實際應用中，異形柱結構的最頂層是可以采用砌體墻承重的混合結構形式，但該砌體墻承重的混合結構層應按抗震要求設置構造柱與圈梁，并且這種設計最頂層異形柱框架結構受力與完全采用異形柱框架結構受力形式是一樣的。根據建筑布置及結構受力的需要，異形柱結構中的框架柱可以全部采用異形柱，也可以部分采用普通的框架柱。當根據建筑功能需要設置底部大空間時，可以通過框架底部抽柱，并設置轉換梁，形成底部抽柱帶轉換層的異形柱結構。

總之，異形柱框架結構、異形柱框架—剪力墻結構有著較大的市場需求。設計人員應根據其受力特點，提高異形柱結構設計的理論水平，選擇合理的結構形式。并且只有正確掌握了計算機的分析方法，在確保其結構合理與經濟適用的前提條件下，保證其結構的安全、可靠。運用計算機進行正確的結構分析與截面配筋，規范與歸納已成體系的異形柱設計理論和實踐經驗，并深入研究與推廣應用，貫徹執行國家技術經濟政策，為混凝土異形柱結構在設計及施工中做到安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量保駕護航。

（作者單位：江西省新聞出版職業技術學院后勤保障處）