浅析建筑工程中异形柱结构设计

【摘 要】异形柱结构是一种全新的结构形式，随着当前社会技术的发展，其被广泛的应用在多高层住宅建筑以及较为规则的一般民用建筑中。本文通过对建筑工程中异形柱结构在建筑物中的各种作用进行分析，提出其相应的设计方案和设计注重的重点。

【关键词】异形柱

1 概述

近年来随着建筑技术的不断发展，各种建筑结构形式逐步的增多。异形柱框架或异形柱框架一剪力墙结构作为一种全新的结构在当前多高层住宅建筑中被广泛的使用，由于其以T形、L形、十字形的异形截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构，以避免框架柱在室内凸出，少占建筑空间，改善建筑观瞻，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性，因此具有更好的经济效益和社会效益。下图所示为某砼异型柱框架结构平面图：

2 特点

异形柱截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4。一般框架结构柱截面几何形状为矩形（截面长边与短边的边长比不宜大于3，截面的宽度和高度均不宜小于300mm）、圆形（直径不宜小于350mm）。与一般框架结构柱相比，异形柱结构的主要特点就是柱肢厚度与墙体厚度取齐一致，其肢厚尺寸较小，相应地梁宽尺寸及梁柱节点核心区尺寸均较小，为保证整体安全，其受力构件（柱、梁、剪力墙）应采用现浇的施工方式。混凝土异形柱结构体系与一般框架结构柱结构体系之间既存在着共性，也具有各自的特性。由于目前缺乏充分研究依据，异形柱结构体系受很多限制，如柱的其他截面形式暂未列入规范，异形柱框架-核心筒结构暂未列入规范等。

2.1 整体计算分析

异形柱的存在和不同的布置对结构整个抗侧力刚度影响很大，总体来讲相对于同样布置的同截面矩形柱结构，异形柱结构的整体性要好，刚度略由增强；而单结构形式来讲，异形柱结构的刚度介于普通框架和框架剪力墙之间。文献对8度区－6层住宅分别采用矩形柱和异形柱框架进行设计，然后分别采用SATWE和CRSC程序对比分析，结果表明在地震作用下异形柱结构的底部剪力要比矩形柱框架结构大16％～26％左右，各层柱的平均剪力和节点剪力也比矩形柱框架大很多。异形柱结构的受力特点介于普通框架柱和剪力墙之间，结构的抗震性能比较差，在内力分析计算时，既不能完全按普通框架柱，也不能完全照搬短肢剪力墙。

2.2 正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力

柱肢截面的差异，导致柱肢平面内外两个方向的截面特性相差较大，其在轴压能力承载中有着巨大的作用，正截面承载力的计算是一个十分复杂的问题，因此在设计的过程中一般都是采用与弯矩作用相对垂直的情况下进行分析与处理的过程和方式。其位置随截面尺寸、混凝土强度、配筋率及荷载角等诸多因素的变化而变化。在施工和控制的过程中是通过两个方向进行向外延伸的方式处理和施工的过程。进而导致柱肢平面内外两个方向的惯性矩差异明显，进而侧向刚度相差较大，对不等肢的截面表现尤甚。因此普通柱正截面抗弯验算的计算公式并不适用于异形柱，《规程》将异形柱截面划分为有限个混凝土单元和钢筋单元，仍然采用平截面假定给出了双向偏压的正截面承载力验算公式。

由于多肢的存在，其截面的剪力中心往往在截面外，受力后主要依靠柱肢交点处的核心混凝土协调变形和传递内力，导致各柱肢内存在相当大的剪应力和翘曲应力，柱肢易首先出现裂缝，核心混凝土处于三向受剪状态，变形能力降低，脆性破坏特征明显。

异形柱的斜截面受剪承载力也随荷载作用方向而变化，但对同一方向的地震作用由于翼缘的有利作用，通常比等面积矩形柱高，表明，T形截面柱的受剪承载力至少为同截面面积矩形柱的1.15倍，L形柱则基本相同。

2.3 节点强度

普通框架只要梁柱截面满足规范构造要求，节点核心区面积大，除二级或更高抗震等级的节点外，一般不需要特别进行节点抗剪验算。但异形柱框架的肢厚不大，节点核心区有效水平截面积小。另外，异形柱由于轴压比的要求，通常肢长较大，相对同截面面积的矩形柱来讲，刚度大，地震作用大，相应的节点剪力比相同布置下(柱面积相等)的矩形柱结构大很多。因此异形柱框架节点一般都需要验算节点抗剪强度。

3 构造措施

异形柱的受力情况复杂，结构延性相对较差，单纯依靠目前的程序计算配筋尚难满足结构抗震的延性要求，因此必须加强构造措施，从概念出发，保证结构具有足够的安全度。

3.1 结构平面布置

异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系，根据结构平面布置和受力特点，可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式，特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置宜使结构平面刚度均匀对称，尽量控制或减小扭转效应：竖向布置注意体型力求简单规则，避免过大的外挑内收，避免楼层刚度沿竖向突变；柱网尺寸不易过大，一般不超过6m，柱矩大梁高也大，一方面建筑净空难以满足要求，另一方面柱承受的轴力也大，轴压比高，于抗震不利。为保证梁板对异形柱节点的约束，宜采用现浇楼盖。

3.2 轴压比及柱配筋

对于柱而言，控制其延性的因素很多，不管对矩形柱还是异形柱，轴压比无疑是最重要的控制条件之一，其侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降，对异形柱更应从严控制。这可以通过控制柱距、采用轻质墙体、优化结构平面布置改善。柱肢端承受梁传来的集中荷载，局部压应力大，可设置暗柱。曹万林等《钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析》表明：带暗柱异形柱与普通异形柱相比，承载力及延性和耗能能力有显著提高。

异形柱截面的剪力中心与截面形心不重合，剪应力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪压构件出现裂缝，产生腹剪破坏，导致柱脆性显著，延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出现单纯翼缘受压，此时柱的延性最差，因此需要进一步提高异形柱的抗剪能力。除此之外，尽量避免短柱的出现，对剪跨比小的短柱要采取相应的加强措施，以免形成薄弱环节。

3.3 节点构造

节点已经成为异形柱结构的薄弱环节，考虑到节点处钢筋的锚固以及保证节点区混凝土浇筑的质量，柱钢筋数量不宜过多且直径不宜过大。

4 结语

异形柱结构的设计理论和设计方案还需进一步的研究、开发与总结，以便能更广泛的应用于实际建筑中。