住宅建筑異形柱框架結構設計意義與現狀

朱行行

【摘要】本文筆者結合自身多年工作實踐，在介紹異形柱結構概念及其優點的基礎上，就異形柱結構的受力特性、軸壓比以及設計計算方法進行了討論，以供結構設計同仁參考。

【關鍵詞】異形柱結構；結構設計；問題討論

前言

造型新穎、大空間、多功能以及空間布局上的高靈活性等特殊需求在現代民用建筑中已經表現得十分突出。在這些建筑中，異形柱結構得到了廣泛地運用。與普通鋼筋混凝土結構相比，異形柱結構無論在受力特性，還是在設計計算方法上都有著其特殊性。結構設計人員必須深刻認識、準確把握異形柱結構的概念、受力特性以及設計計算方法，從而保證設計出的結構能夠同時滿足安全性、經濟性和實用性的要求。

一、異形柱概念及其優點

1.1 異形柱的概念及常見形式

異形柱（Specially Shaped Column）是指截面形式與常規矩形截面存在差異的柱。異形柱的使用主要是為了滿足結構物使用功能或是空間布置上的要求，異形柱的使用必須以滿足結構剛度和承載能力等要求為基本前提。常見的異形柱有T 形、L 形以及十字形等截面形式，并且這些異形截面各肢高與厚的比值還應不超過4。根據異形柱各肢的長度是否相等，又可將異形柱分為等肢與不等肢兩種，抗震設計時宜采用前者。

1.2 異形柱結構的優點

在傳統框架結構柱中，矩形截面有著絕對的份量，但是考慮到柱截面尺寸與墻體厚度的差異，在建筑物內部往往都可以碰到大量的裸

露柱角，這些裸露柱角在很大程度上影響了住宅內部的空間布置。住

戶都希望框架、框剪結構等能夠與磚混結構一樣，讓房屋內部墻面、四角平整無凹凸面。而異形柱結構的優勢就在于此，它能夠與墻體很好地銜接，在滿足承載能力要求的同時實現美觀與功能上的要求。

二、異形柱受力特性及其軸壓比控制

2.1 異形柱受力特性

大量的試驗研究表明：與普通矩形截面柱相比，異形柱截面形心與剪心之間存在位置偏差，在外荷載作用下其各肢截面有翹曲正應力與剪應力產生，剪應力直接導致各肢混凝土開裂形成腹剪裂縫，相應地降低了柱的延性。

進一步研究發現，異形柱軸壓比、箍筋直徑與間距以及高長比（柱凈高/截面肢長）等因素與其延性有著密切的關系。其中，箍筋直徑大小以及箍筋間距分別與雙向壓彎異形柱截面曲率延性成正比和反比，并且后者的影響程度遠遠大于前者，即增加配箍量對于提高異形柱截面延性有著顯著作用。軸壓比大小是決定異形截面雙向壓彎柱破壞特征的重要指標。而軸壓比參數則與異形柱截面曲率延性呈現相反的規律，軸壓比增長到一定限制，柱截面就會發生界限受壓破壞，截面由延性較好的受拉破壞發展為延性最差的界限受壓破壞。

2.2 異形柱軸壓比控制

從構件形式上講，異形柱實質上是短肢剪力墻與普通矩形截面柱之間的一種過渡性構件。相對于普通矩形柱，在荷載作用下，異形柱更容易呈現出一系列的脆性破壞特征。異形柱軸壓比對其自身破壞形態以及變形能力有著重要的影響， 因此有必要對該值的大小進行控制，避免柱截面尺寸過小，提高柱子本身的延性、增強其變形能力，保證不出現小偏壓破壞。

現行《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）中規定：對于抗震等級二級的異形柱框架結構，L 形截面柱軸壓比不得超過0.5，T形截面柱軸壓比不得超0.55，十字形截面柱軸壓比不得超過0.60。而在抗震等級二級的異形柱框架-剪力墻結構中， 剪力墻是抗震的第一道防線，框架是第二道，因此相應截面形式異形柱的軸壓比限制均相對放寬0.5，即為：0.55、0.60、0.65。抗震等級為三級、四級的異形柱框架結構及異形柱框架-剪力墻結構也有類似的規律。

三、異形柱結構設計計算及構造措施

3.1 異形柱結構設計計算方法

由于異形柱結構有著其自身的特點，這也使得結構受力性能與普通結構存在差異。在抗震設防地區，以地震、風荷載等為代表的水平荷載、水平作用影響下，異形柱因為其截面的不對稱性而呈現雙向偏心受壓狀態，這種狀態直接降低了結構構件的承載能力。因此，在設計過程中，應將異形柱結構視為空間體系，盡量選用自帶異形柱單元的設計軟件、設計程序進行結構內力與位移計算分析。在現實工作中，許多結構設計人員常將異形柱建模與剪力墻建模混為一談，這兩者的受力狀態是存在本質性差異的，在設計計算時這種等同做法是不合理也不安全的，應當引起設計人員的高度重視。

如果沒有自帶異形柱單元的設計軟件、設計程序可供使用，那么可以將異形柱結構等效為薄壁桿件模型進行處理。就異形柱框架結構而言，可以對其結構構件剛度采取等效折算處理，經等效折算處理后得到的普通框架結構可以代替原異形柱結構進行相應的結構內力、位移計算分析。但是需要注意的是，利用等效普通矩形柱框架結構計算出矩形柱的軸壓比不能直接代表異形柱的軸壓比，這主要是由于剛度相等的矩形、異形截面柱，其截面面積前者明顯大于后者，二者比值通常在1.1-1.3 之間。

3.2 異形柱結構設計構造措施

對于使用異形柱框架結構的住宅建筑， 在設計中宜使用中長柱，避免因設置短柱而出現脆性壓剪破壞。對此，可從構造上采取相應的加強措施。一方面，應以異形柱高長比限制規定為依據，嚴格控制異形柱的最大肢長；另一方面，還應重視對柱內部縱向鋼筋、箍筋的控制，縱向鋼筋的直徑、間距、內折角處縱向受力鋼筋的設置以及箍筋最大間距都是控制的重點項目。

此外，考慮到異形柱截面寬度相對較小，有必要對梁柱節點區域進行構造加強，使結構具備良好的延性，保證其變形能力，滿足抗震的構造要求。設計過程中為控制鋼筋骨架的垂直度，可以有選擇性地確定柱各肢端部縱筋的直徑。此外，對于異形柱與矩形柱交接區域，應對插入核心區的異形柱縱筋長度進行限制，與此同時加密異形柱中箍筋的配置以保證節點區域延性的基本要求。

四、 節點核心區受剪承載力

由異形柱的截面特性，決定了梁柱節點核心區域面積較小，而梁柱縱筋交匯使得箍筋配置不可能太多。為了滿足抗剪承載力的要求，只能提高混凝土的標號，但隨之帶來的問題是構件變脆，同時與梁板混凝土強度的協調也成問題，有時為了個別柱的需要，而使全部柱的混凝土標號提高，也造成了投資上的浪費。為了解決這一問題，我們在已建成的工程中采用了在節點核心區的柱內加豎向鋼板的方法，鋼板伸過節點核心區上下一定的長度錨固，按鋼板與混凝土協同工作來計算分析，確定鋼板的截面尺寸。

五、 應用情況

目前從我國建設情況來看，正在逐步推廣混凝土異形柱結構體系.在工程設計程中，盡量采用異形柱框架一剪力墻結構。對樓面開大洞口、轉角窗及樓梯間等抗震薄弱位置著重處理，采用剪力墻加強。在此過程中積累了一定的經驗。混凝土異形柱結構體系從以前主要用于低層別墅建筑、多層住宅建筑逐漸擴展到用于小高層的住宅建筑、平面及豎向較為規則的宿舍建筑，工程實踐表明效果良好，住戶認知度及滿意度較高，為節能減排及新墻材推廣作出了突出的貢獻，取得了良好的經濟效益和社會效益。

結語

綜上所述， 異形柱框架結構在住宅建筑中有著非常廣闊的應用前景，作為結構設計人員應當順應市場的需求，從該結構自身的受力特性、受力原理出發，正確理解把握結構的破壞機理，合理使用計算機軟件建模計算并能夠對計算結果進行客觀科學地分析處理， 同時采取必要的構造措施，其設計的結構才能達到安全、美觀、實用的基本要求。

參考文獻：

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