混凝土異形柱結構在建筑中的應用及常見問題探討

劉建生

（山東省建筑設計研究院青島分院，山東 青島 266000）

混凝土異形柱結構在建筑中的應用及常見問題探討

劉建生

（山東省建筑設計研究院青島分院，山東 青島 266000）

異形柱由于其自身截面較小，造價較低，且具有不占用建筑空間、用戶使用方便等優點，現階段受到越來越多的建設單位和建筑設計師的青睞。文章通過對異形柱結構相關內容的梳理，分析了異形柱結構的設計與施工現狀，并結合設計與施工過程中容易出現的問題，提出了相應的解決辦法，以供設計和施工人員參考。

異形柱；抗震性能；延性

異形柱是指截面幾何形狀為L形、T形、十字形，且其截面各肢的肢長與肢厚之比不大于4的柱（肢長與肢厚之比大于4為混凝土墻）。混凝土異形柱的受力性能介于普通混凝土柱與混凝土剪力墻之間，其延性相對混凝土普通柱來說較差，但又較混凝土墻好。

異形柱結構相比普通矩形柱，可以避免由于混凝土柱截面尺寸大于墻厚而造成的室內局部凸出現象，因而節約了室內使用空間。由于其布置形式靈活多樣，同樣可以為建筑造型等帶來很大的便利；相比于普通磚混結構，異形柱結構拋棄了砌體結構中的磚墻等自重較大的墻體，取而代之以加氣混凝土砌塊或其他輕質材料，甚至直接使用輕質墻板整體施工墻體，大大減輕了結構自身的重量，并縮短了工程周期，降低工程成本；相比普通混凝土剪力墻結構，異形柱自身截面較小，混凝土和鋼筋的用量均較少，可以大大節約工程材料，降低工程造價。由此可見，由于自身優點突出，混凝土異形柱結構在民用建筑中具有非常廣闊的使用前景。

1　異形柱結構的適用條件和研究現狀

《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）［1］于2006年8月1日起實施，為混凝土異形柱結構的設計提供了基本依據。其規定的異形柱結構的房屋最大高度如表1所示。

表1　異形柱框架結構與矩形柱框架結構的最大高度/m

由此可見，對于普通的多層住宅而言，異形柱結構大部分適用，尤其是在別墅這類總高度不大但對使用功能和外觀要求都比較高的建筑中，異形柱結構的優勢尤為明顯。

我國對異形柱的研究和使用已有三十多年的歷史。自二十世紀八十年代以來，由于使用功能上的需求，異形柱結構逐步得到推廣。近年來，國內外各高等院校、設計單位、科研機構等均對異形柱的基本性能、設計方法、構造措施及施工方案等方面進行了大量的科學研究和工程實踐，例如2002年曹萬林等［2］通過異形柱的抗震性能試驗，分析并研究了異形柱在承載力、剛度、延性的特點，并比較了帶暗柱異形柱與普通異形柱在破壞形態上的差異，提出了帶暗柱異形柱的適用范圍、設計方法及抗震構造措施等。2007年曹萬林等［3］對鋼骨混凝土異形截面柱的軸壓比、抗震性能、延性等進行了分析。劉祖強等［4］對型鋼混凝土異形柱框架在反復荷載作用下的耗能能力進行了研究。這些研究都為異形柱結構的設計和應用提供了寶貴的試驗數據和理論依據。

2　異形柱結構的設計與施工

現行《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）是異形柱結構設計的依據，其中，針對異形柱結構的結構布置、計算分析和截面設計及構造等方面，該規程均給出了相應的規定。結構設計的第一步是確定設計方案，結構設計方案是決定結構合理性與經濟性的重要因素。在確定合理的結構設計方案時，應綜合考慮設防烈度、房屋高度、施工技術、經濟和使用條件等因素；應盡量通過合理的結構方案增加結構的多余約束和超靜定次數，加強結構的整體穩定性，避免結構出現可能的連續性倒塌。此外，通過計算分析得到結構各構件所受到的作用力，通過內力調整和相應的構造措施達到“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”的設計理念，以實現結構的延性設計。

結構設計中容易出現的第一個問題就是梁柱節點抗剪承載力不足。異形柱節點域較小，其承載力一般不大，針對這個問題通常的解決辦法有四種：①調整異形柱截面以增大節點域面積，但異形柱截面增大后，其分配到的地震力也增大，故柱截面不可過大；②調整梁的高度以增加節點域面積；③調整柱布置方案，通過改變柱間距或梁的跨度以實現作用力的重新分配；④提高混凝土的強度等級。結構設計中經常遇到的第二個問題為彈性層間位移角超限。《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）中對異形柱結構彈性層間位移角限值的要求如表2所示。

表2　異形柱結構彈性層間位移角限值

此限值要求相比普通矩形柱框架結構或其他結構形式來說都更為嚴格。但由于異形柱截面不大，其抗側力剛度較小，在地震或風荷載作用下很容易出現彈性層間位移角超限的情況。對此，一般的解決辦法是盡量采用平面和立面規則的結構設計方案，如：剛度和承載力均勻分布；異形柱的柱距不要太大，一般最大4～5米左右；縱橫方向的柱網分別對齊拉通；異形柱截面肢厚中心線與框架梁的中心線對齊等。

混凝土異形柱結構的施工應符合《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204）［5］的相關要求，并應制定專門的施工技術方案。此外，根據對現場施工的追蹤研究，主要有以下兩點值得關注：①由于混凝土異形柱截面較小，在梁柱節點處配筋較為密集，施工時的難度較大。現階段一般的處理方法就是盡量減少鋼筋根數，但規范對鋼筋的最大直徑有所限制（見《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）第6.3.2條），故通過減少鋼筋根數來解決該問題仍有一定的局限性；另外，還可采用石子粒徑較小的混凝土來降低施工難度。由于石子粒徑較小的混凝土便于振搗，節點處混凝土的密實度可以得到更好的保證，因此現在施工單位一般也是采用此種方法。有的單位在施工過程中對梁柱節點和柱混凝土處留置施工縫并分開澆筑，此種方法易造成異形柱裂縫的形成，其受力性能也會受到一定程度的影響，故不建議采用，如必須采用時則應采取特殊的處理措施。②由于異形柱截面較小，施工時必須盡量控制施工精度以減小施工偏差。由于異形柱截面往往較小，冬季施工如果養護措施不到位，很容易造成混凝土的開裂，這種情況一般可通過添加混凝土外加劑、采用專門的冬季施工方案等手段加以解決。

3　異形柱結構的發展前景

異形柱結構由于其自身的特點，具有其他結構形式無法比擬的優越性，雖然其延性、承載力均弱于相應的普通矩形柱框架結構和剪力墻結構，但在建筑高度不大的情況下，異形柱結構還是具有較好的適用性。隨著人們對異形柱結構的研究不斷深入以及規范、標準等的逐步完善，異形柱結構的安全性與可靠性會逐漸提高、適用性更廣，異形柱結構在建筑中也必將發揮越來越重要的作用。

［1］ JGJ149-2006混凝土異形柱結構技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［2］曹萬林.鋼筋混凝土帶暗柱異形柱抗震性能試驗及分析［J］.建筑結構學報.2002，（1）：17-21.

［3］曹萬林.鋼骨混凝土異形截面柱抗震性能試驗及分析［J］.土木工程學報.2007，（1）：26-33.

［4］劉祖強.型鋼混凝土異形柱框架滯回性能分析［J］.工程力學.2016，（7）：81-91.

［5］ GB 50204-2015混凝土結構工程施工質量驗收規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2015.

TU37

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1671-3818（2016）09-0109-02