异形柱结构设计特点及应用分析

摘要：随着城市建设的不断发展，出现了很多新的建筑结构形式，异形柱框架结构正是这些新型结构的一个代表。异形柱结构因其具有住宅室内空间灵活布置的特点，决定了其是营造高品质住宅的首选结构，并得到广大房地产开发商和用户的欢迎，但再好的结构难免有缺陷，本文根据作者多年的工作经验，结合工程案例，探讨异形柱的选择以及设计的的体会。

关键词：异形柱结构；变形能力；平面布置

随着我国建筑事业的迅速发展以及人们物质文化水平的不断提高，人们对住宅的要求越来越高，这就给建筑工程师们提出一个难题：如何科学进行住宅房间的布局，如何达到更好地室内装饰以及家具布置的效果。总之，如何充分利用建筑物的有效空间，在城市住房问题越来越紧张的今天已成为住宅结构设计中一个必须考虑的问题。异形柱框架作为一个新的结构体系在这一背景下出现了。异形柱结构是指采用异形柱的框架结构和框架-剪力墙结构。异形柱结构是一种新兴结构，虽然在结构受力和抗震性能上存在一定的缺陷，但因其有室内净使用空间大、室内空间布置灵活、室内观感好、结构自重轻等优点，所以有其存在的市场价值，在工程实践中也的确经常被采用。故此我们应该掌握其受力特性和结构特点，在了解其结构破坏机理的基础上采用合理的结构布置形式，达到最好的设计效果。

1异形柱结构特点

1.1异形柱结构相对于砖混结构的优点

采用有异形截面柱的框架结构、框―剪结构，其整体变形特征与普通矩形截面柱相接近。与相同截面积的矩形柱比较，异形截面柱的自身刚度大，因而在框架结构和框―剪结构中采用异形截面柱后，结构的整体刚度增大，结构侧移减少；虽然结构的自振周期变短，水平地震作用加大，但结构的整体刚性好，抗震性能不会减低。

1.2异形柱结构的受力及抗震特点

异形柱结构的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同，其主要体现在异形柱本身及梁柱节点上。据有关研究显示，异形柱的延性不如普通矩形柱。由于多肢导致了异形柱剪力中心与截面形心不能重合在一起，在受力的情况下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。剪应力的存在使柱肢混凝土更容易裂缝，也就是腹剪裂缝，导致异形柱非常脆，导致异形柱变形能力非常差。

2异形柱结构的应用

国家行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》颁布，砼异形柱结构将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，为用户提供了理想的居住环境，受到房地产开发商和广大用户的欢迎，由于其符合室内布置的要求，且与墙体（指填充墙）连接良好，在我国许多省市的住宅建筑已有广泛的实际应用，甚至在8度地震设防区得到一定程度的应用。异形柱应用在7度设防以下，在异形柱结构中使用扁平柱是可以的，地震力系数放大,自振周期折减。因用异形柱导致刚度下降,使得地震力减小,应采用地震力放大系数来适当地增加地震力。

2.1异形柱结构应用措施

当然，从以上类容可以看出，异形柱结构体系有较多的优点但难免也会存在一些缺点，问题是在实际设计施工中应怎样避免其不利因素，尽量发挥其有利因素，最大限度地利用好异形柱结构。这也是工程人员在意的重要问题之一。通过分析，提出以下几个需要注意的问题：

1）在条件允许时，最好优先采用异形柱框架-剪力墙结构，因为采用此种结构能形成两道防线，这就提高结构整体的变形能力，从而提高了安全度，克服了异形柱抗震性能较差的特点。

2）隔墙材料需要尽可能轻，可以减小框架结构体系的负荷。

3）平面布置宜整齐。因为平面布置是整体结构布置的关键点，连续框架平面布置整齐，有规则，尽量避免主次梁搭接的情况；与此同时，结构平面和刚度分布均匀也是设计的重点，尽量避免扭转效应的负面作用，保证结构整体的抗震性能；此外，规则框架榀的布置也更有利于灵活装修布置。

4）在特殊需要的部位如影响使用部位的墙角部位、卧室等采用异形柱结构体系，其他位置尽量采用矩形截面柱施工，这样更易于合理受力，简化施工工序。此外，还要考虑住宅的可改造性，这点是为以后改造打下基础。如在允许且极可能两边打通的墙置，异形柱的翼缘应向需打通房间的另一侧伸出，尤其是对带有阳台的厅式房间，如图1所示。

图1：异形柱布置图

5）为达到最理想的工程效果，尽量在8~10层，高度在28m之内的区间选择异形柱结构体系，因为这样会更好的发挥异形柱结构体系的优点。其一，这一段不属于高层，而相对砖混结构却有其高度优势；其二，用钢量在这一区间内能得到有效的控制，以抗震设防烈度7度，地震加速度0.1g的异形柱框架-剪力墙结构为例，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，我们可以运用《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)的6.4.6条，构造边缘构件的布置可以通过控制剪力墙轴压比的手段来达到，从而降低了用钢量。

2.2异形柱结构应用实例

某住宅小区的一幢为多层建筑，地下室一层，高为3.6m，地面以上为7层，层高均为3m，顶层为一坡屋顶。建筑总高度计算为3×7+3.6=24.6m。

2.2.1结构设计

1）根据建筑的特点，施工人员决定采用异形柱框架结构，地下室视为嵌固。

2）根据《混凝土异形柱结构技术规程》的规范说明，此工程抗震设防的强度是7度，由此可知异形柱框架结构的抗震等级为3级，异形柱结构弹性层间位移的角限值为1/600，弹塑性层间位移角限值为1/60(本工程无转换层所以可以不进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算)，轴压比限值：L形0.60，T形0.65，十字形0.70。

3）图2是标准层建筑图。

图2：2、3、4、5层平面图

4）异形柱结构的平面布置。

①为了简便施工工艺，能够是用矩形柱的位置就优先是用矩形柱，而对空间有特殊要求的地方如卧室等就要采用异形柱结构设计，这时由于异形柱的受力复杂导致结构设计复杂，而且其抗震性能不够理想。②在设计时需要与建筑师沟通以尽量使纵横柱网轴线对齐，因为以前的震害表明柱网轴线不对齐就不能构成一个完整的框架，以致因扭转效应与传力路线中断等方面的问题发生灾害。③对于L形柱结构的异形柱应采用两肢等长的柱，但因为有一停车库挡在建筑方案地下室的一侧，考虑到车子出入的宽度要求，这一排L形的异形柱都采用不等长柱，稳定起见，确保两肢肢高比不超过1.6。④一般情况，异形柱施工均采用PKPM方式建模。在用PKPM建模时，考虑到建筑图中有些分轴线间距较小，建两个节点就会容易短梁情况发生，而且建两个节点柱子却只能布置在一个节点上，另一个节点上的梁不可以搭在此柱上，在这种情况下，程序计算较容易出现错误，因此针对这种问题需要对症下药，工程人员将一个轴线上的梁柱通过偏心方式布置在另一轴线之上，很好地解决了短梁以及不认梁搭柱的现象。⑤电算建模时柱子的配筋需要符合双偏压的原则，并在考虑双向地震作用的情况下计算。

5）标准层结构平面布置图如图3所示。

图3：2.950-11.950结构平面布置图

6）PKPM计算结果见表1、2。

②SATWE位移输出文件如表2所示；

表2：SATWE位移输出文件

③剪重比和有效质量系数如表3所示；

表3：剪重比和有效质量系数

④刚重比见表4所示：

表4：刚重比

由计算结果可以看出各指标均满足规范要求

7）其他

顶层托斜层顶的柱，规程没涉及，它所受轴力，弯矩均不大，柱本身强度没问题，关键是顶部结构的整体性能。设计人员自动把握抗震设计的异形柱结构不应有的错层，原因是免形成短柱，但楼梯处容易形成短柱，所以，在楼梯间两侧布置剪力墙，其他地方可用异形柱，但能用方柱的地方尽量用方柱。

3结束语

工程中由于采用异形柱框架结构，室内不露梁柱断面，对房间的美观与使用很有利，实用性较强，建筑使用面积增加，建筑物自重减小。框架采用异形柱后，框架梁变短，可减小梁断面与配筋，节约材料，但柱肢较薄，且为非矩形柱，故对此种柱必须予以加强，控制轴压比，并适当提高柱配筋率，另外也由于柱肢厚度薄，纵筋粘结强度较差，纵筋总配筋率不宜大于3%，以利于节点处钢筋设置，减少粘结型破坏，保证结构良好的延性。设计时，对楼板与梁柱，框架与填充墙的联结，也应加强，使结构的整体性得以保证。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。