異形柱結構設計小結

【摘 要】 混凝土異形柱結構由于能夠大大減少在建筑中突出的棱角，節約建筑空間等優點在多層建筑尤其是多層住宅中得到了越來越廣泛的應用。與矩形柱和圓形柱相比，異形柱截面特性的不同導致其在內力及變形特性、抗震性能等方面也有顯著地差異。本文將對異形柱結構的設計予以探討。

【關鍵詞】 異形柱，受力特點，設計方法

一、概述

鋼筋混凝土異形柱，是指截面形式除矩形、圓形以外的柱，且柱肢的肢高肢厚比不大于4，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型等，異形柱結構體系是指采用輕質填充墻及隔墻的現澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架-剪力墻結構體系。異形柱結構體系用適中的剛度配合輕質填充墻的使用，對減少地震作用很有利，是一種經濟合理的抗震結構體系。

二、異形柱受力性能特點

1、異形柱設計要比常規矩形截面柱設計復雜得多，對于偏壓構件，矩形截面的受壓區總是矩形，內力臂較大；而對異形柱，受壓區圖形通常比較復雜，可能為二邊形，也可能為多邊形。對于受壓區呈多邊形分布的截面，壓區邊緣砼應力過于集中，一旦達到受壓強度極限，破壞區域往里滲透得過陜，不利于外邊緣的砼纖維經歷下降段，從而影響整個截面和構件的延性。

2、異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態下各肢將產生翹曲正應力和剪應力，剪應力使柱肢砼先于普通矩形柱出現裂縫，即產生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。

3、異形柱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，對異形柱結構應按空間體系考慮，宜優先采用具有異形柱單元的計算程序進行內力與位移分析，pkpm、gscad、tbsa等國產結構軟件均可做異形柱框架結構計算。

但以上計算理論均基于平截面假定，未曾考慮截面翹曲自由度，對于異形柱來說，很可能出現各柱肢單獨作用的情況，因此常見的基于平截面假定的公式受到挑戰。而對異形柱的分析、試驗以及設計方法等一套體系還沒有完全建立起來，這就給異形柱設計帶來一定的難度，必須在概念設計上予以加強。

三、異形柱結構布置

1、平面布置

（1）平面布置宜對稱，兩個主軸方向要協調，使合力中心盡可能和剛度中心重合，減少偏心距，盡量減少因扭轉產生的不利影響；

（2）考慮采用雙向承重體系，并縱橫向相連接；

（3）各柱肢應盡量對齊，使柱肢與梁一起構成較規則、多跨的抗側力體系。異形柱設計的目的主要是合理解決小面積房屋的使用問題，應重點布置在房屋中影響房屋使用的墻角部位，其他部位從受力合理和施工方便方面考慮宜使用矩形柱。

2、豎向布置

（1）結構豎向抗側力構件宜上下連續貫通。

（2）異形柱結構的側向剛度沿豎向宜均勻分布，樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的75%，或其上相鄰三層剛度平均值的85%。

（3）樓層抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的85%，不應小于其上一層受剪承載力的70%。

（4）異形柱框架不應采用樓層錯層的設計方案。

（5）異形柱不宜在樓層半層處單面設置挑梁。

3、構件尺寸

（1）柱肢寬度，一般取與墻體相同的厚度（如200mm），不低于180mm和不超過250mm。若肢寬偏低會造成施工困難，偏高則導致柱體笨拙且不經濟，也可能造成短柱或剪跨比超限。

（2）肢長根據2≤肢厚比≤4的控制指標進行確定，且肢長不宜超過600mm（考慮角柱扭轉明顯，肢長應取高值，且箍筋全長加密）。此外，異形柱剪跨比也要控制在2～4范圍內控制肢長或肢厚比的目的在于：當異形柱肢長增大時，柱剛度增大，受震害越大，因而對結構受力性能不利。

四、設計方法

1、在PKPM系列軟件中，由PMCAD模塊可解決異形柱的定位和荷載導入，由TAT和SATWE模塊可以完成整個體系的結構計算和配筋計算，在定義L、T、+字形柱時，應用里面的“十字形”截面定義，并且應把截面相同而轉角不同的柱定義成幾個不同的截面，不宜采用轉角的方式；由于異形柱的柱肢較長，梁柱重疊部分大，在計算時應選擇“梁柱重疊部分作為剛域”；建議采用雙向偏心受壓、雙向偏心受拉、正截面承載力計算。

2、在一般的矩形柱的多層框架結構中側移多不起控制作用，而對于異形柱框架結構，由于側向剛度較小，有時側移會超出規范允許值；

3、對柱的凈高與柱截面長邊尺寸之比小于4的異形柱，應沿柱高全高加密箍筋，以減少地震作用下柱剪切脆性破壞的危險性和改善柱的變形性能；

4、對抗震等級三級及三級以上的結構，應對節點進行計算，以保證節點區的可靠性；

五、構造及配筋

1、按照規范及實踐經驗來看，柱肢的厚度最小不小于160mm，一般常用200mm比較合理。對于8層及以上框架其下面兩層梁柱節點處的鋼筋有時顯得比較密集，因此不宜減薄。在梁跨度較大時，柱子往往顯得截面不足，軸壓比太大，鋼筋過分密集。因此最好把一二層砼標高提高到C30以上，避免采用加大壁厚的方案。

2、在選用縱向受力鋼筋時，數量宜少，直徑宜大，一般只要不大于Φ25均應選較大的直徑減少根數，而每邊鋼筋的數量宜用2根，多則做兩排設置。底層每邊鋼筋的數量也可以用3根，但穿出樓面的柱筋每邊單排配筋還是不要多于2根為宜，否則節點施工困難。

3、縱向構造鋼筋在柱肢寬較大時應該設置，以保證縱向鋼筋間距不大于350mm的規范要求，因為異形柱的縱向構造鋼筋比較多，因此其直徑的選取也是影響經濟技術指標的一項因素，根據我國鋼筋砼設計規范和國外有關資料以及有關剪力墻的構造規定，取Φ12、Φ14還是比較合理的，不必選用更粗的鋼筋。

4、按照我國抗震設計規范中規定，箍筋的設置最小直徑可以選用Φ6，加密區長度取柱截面的長邊尺寸、層間柱凈高的1/6和500mm的最大值，在加密區的間距為100。

結束語：目前民用建筑的市場需求是朝著大開間、大空間方向發展，給異形柱結構體系帶來廣泛應用的前景，相關的結構計算理論也得到不斷的累積和發展，作為設計人員，需要我們善于思考、勤于總結，利用正確的概念進行設計，使異形柱結構體系逐漸地得到發展、推廣和應用。

參考文獻

[1] 中華人民共和國建設部《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）

[2] 異形柱結構設計與施工/沈蒲生編著.-北京：機械工業出版社.2010.01