論房屋建筑工程中異形柱的設計及其應用

■王 敏 ■中鋁瑞閩股份有限公司，福建 福州 350000

1 異形柱設計的必要性

異形柱(specially shaped column)是一種用于建筑工程中的柱子，要求既能夠達到結構剛度的要求和架構承載力的要求，還要以建筑使用的功能為依據，根據建筑設計圖紙的布置要求來選擇形狀不同、截面不同的柱［1］。隨著房地產業蓬勃發展，在我國各個城鎮上，不斷增加建設高層民用住宅，民用住宅對建筑平面的靈活性要求較高，并且要求建筑結構具備良好的抗震性能，保障用戶的安全，這就需要利用到鋼筋混凝土結構體系。但是一般的鋼筋混凝土結構體系的框架柱通常是運用矩形斷面的方式，而且斷面的寬度要大于墻面的寬度，這就使柱子超出房間內墻，從而形成墻角，不僅使房屋的美觀受到影響，還會為用戶帶來很多不便，并且減少了房間的可用空間，降低用戶的滿意度。為了使這個設計問題得到解決，設計人員開始采用鋼筋混凝土異形柱。而異形柱的使用能夠解決設計鋼筋混凝土框架體系中的問題。由于異形柱符合建筑結構對剛度和強度的要求，設計人員根據房屋建筑的實際情況，將異形柱設計成T 形、Z 形、工字型等形狀，圖1 為幾種異形柱常見形狀。

圖1 異性柱的幾種形狀

異形柱的肢厚度是不相同的，需要結合建筑的實際需求，在民用多層住宅中，一般將異形柱肢厚度設計在180mm 至250mm 的范圍內。如果是高層的辦公樓，樓層底部一般是用于商業商鋪，不能將柱肢的厚度設計的過大，一般控制在300mm 至500mm 之間，根據建筑結構的功能區分，來對異形柱進行設計，能夠防止在房屋建筑中利用結構轉換層，為工程建設降低了成本。

2 異形柱常用的加固方法及特點

綜合比較分析，增大截面加固法、預應力加固法、置換混凝土加固法等幾種常用加固方法(見表1)。

表1 常用的異形柱加固方法及特點

3 異形柱的計算分析

3.1 計算方法

對于烈度較低的地區，異形柱的截面對稱軸在水平力的作用下，一般設計為十字形，利用彈性分析的計算方法，計算出其翹曲應力較小，相當于其偏壓構件受到水平力的影響，這時還可以依據平截面假定原理進行分析，根據混凝土的設計規范進行計算。在烈度較高的地區，水平力一般對異形柱的非主軸的方向產生影響，這時就需要注意其翹曲應力，如果其平截面的假定出現很大的誤差時，就要利用有限元的分析方法對異形柱的結構進行分析，以此來確定內力的大小和配筋的位置。對內力大小進行計算和對配筋多少進行計算，要利用具有計算功能的軟件進行，例如中國建筑科學研究院的TAT，SATWE 程序。

3.2 計算模型

在實際施工過程中，會布置很多的豎向構件，這些豎向構件中并不全都是異形柱，還會采用一些墻肢較長的剪力墻，這樣就形成一種特殊的結構，即異形柱—剪力墻結構。將計算模型輸入到這種結構中，不同的人員會產生不同的結果，因為有的人員在輸入時會把短肢剪力墻也輸進去，就會造成一定的誤差。然而，結構一旦出現誤差，其穩定性與安全性都會受到影響。

4 異形柱在房屋建筑工程中的應用

4.1 異形柱的應用特點

異形柱的截面并不都是一樣的，這就會造成墻肢平面內部方向的剛度與外部方向的剛度會出現很大的差別，兩個方向的承載能力也就有所區別;如果異形柱在(H/h ＞4)范圍內，可以不對剪切變形進行考慮。當軸壓值很小時，說明其受力比較明確，有著良好的變形能力。如果異形柱在(H/h ＜4)范圍內，就會受到剪切變形的影響，降低構件的變形能力;變形能力降低，就會明顯的破壞脆性，尤其是異形柱的翼緣柱肢在壓力的影響下，其延性就會降低。根據國內外相關的試驗分析資料，異形柱受到破壞時呈現出的狀態主要為小偏壓破壞、彎曲破壞和壓剪破壞。

4.2 異形柱的應用條件

鋼筋混凝土異形柱，其截面形式多種多樣，除了常規的圓形和矩形外，還有T 字形、L 形、十字形、工字型等等［2］。將異形柱作為豎向構件形成的結構體系被稱作鋼筋混凝土異形柱框架結構，這種結構具有較多的優點，如使用安全、技術比較先進、能夠合理的控制成本等，這種結構能夠在地震烈度為7 度或者7 度以下的房屋建筑中使用，非常適合結構復雜的多層房屋建筑。

4.3 異形柱應用的注意事項

(1)異形柱框架結構不是單指全部柱截面均為矩形截面。有的人以為異形柱體系中的柱子都是采用的異形柱，但實際上并不是這樣，建筑施工的要求較高時才會全部使用異形柱，異形柱在建筑中一般是布置在周邊的位置。

(2)梁柱鋼筋應在柱頭處打折插入柱內，以避免與柱主筋交叉。異形柱短邊的尺寸一般都比較小，在柱、梁的交接處對其進行布置有一定的困難。在施工時要克服此問題，一般都要在柱內將打折的柱頭插進去，這樣可以有效避免柱主筋與異形柱出現交叉現象。

(3)要注意柱的延性。柱的延性非常重要，能夠將地震的能量消散，對框架的倒塌能夠起到防止作用。柱的延性受到軸壓比的影響，對異形柱結構進行試驗，發現軸壓比越高，延性就越低。所以對軸壓比進行控制非常重要，異形柱結構的剪力中心如果不能與截面的中心重合，混凝土柱肢很容易出現裂縫，明顯的降低了異形柱的脆性，要想控制異形柱的延性，就必須對軸壓比進行嚴格的控制。

4.4 異形柱的應用舉例

4.4.1 異形柱在別墅住宅中的應用［3］

(1)別墅概況:a.建筑層數:地下1 層，地上3 層。b.基礎型式:人工挖孔樁，柱下獨立基礎，墻下條形基礎。c.結構型式:異形柱結構d.設計基本數據。e.建筑耐火等級:三級。f.結構安全等級:二級。g.地基基礎設計等級:乙級。h.結構合理使用年限:50 年。i.抗震設計參數。j.建筑抗震設防類別:丙類。k.地震設防烈度:6 度。

(2)此別墅所采用的異形柱截面型為L形、T形等。實踐證明，此別墅選型合理，內力的計算結果非常精確，根據規范要求設計別墅的構造，從而使得異形柱能夠很好的應用到此工程中。

4.4.2 異形柱在某庭院的實際應用

庭院概況:某庭院為多層異形柱框架結構住宅，共-1 +6 層(-1為半地下自行車庫)。建筑工程抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區的抗震設防烈度為6 度，設計分組:第一組;場地類別:Ⅱ類;特征周期Tg=0.35s，異形柱框架結構抗震等級為四級。實踐證明，異形柱在該庭院中得到較好的的應用。

5 結語

異形柱的產生猶如許多新生事物一樣，具有很強的生命力和競爭實力進入建筑市場。異形柱能夠使室內框架柱防止出現凸出的現象，能夠使房屋建筑的觀瞻得到改善，使房屋建筑的設計更加靈活，能夠實現房屋建筑的各項使用功能;將墻體改革結合起來，需要采用良好的墻體材料，墻體材料需要具備輕質、保溫、隔熱的性質，即符合節約能源和土地的要求，又能對廢料進行合理利用，還能保護環境，在房屋建筑工程中的應用具有重要意義。

［1］魏山山.型鋼混凝土L 形短肢剪力墻承載力性能分析研究［D］.南昌大學，2010.

［2］侯曉曦.L 形鋼骨混凝土異形柱受力性能研究［D］沈陽建筑大學，2011.

［3］秦雪濤.異形柱在別墅住宅中的應用［J］.科技信息，2008，29∶442-443.