异形柱结构的主要特点及设计要点

异形柱结构的主要特点及设计要点

方兰贞（浙江省东阳市规划建筑设计院，浙江东阳322100

摘要：在对异形柱结构的受力特点进行分析的基础上，从结构布置和异形柱的选型、异形柱轴压比控制和梁柱节点核心区计算、构造措施三个方面论述了异形柱结构设计中应注意的问题。

关键词：高层建筑；异形柱结构；受力分析；构造措施

近年来，异形柱框架或异形柱框架—剪力墙结构作为一种全新的结构形式广泛用于小高层住宅建筑中，相对于传统的短肢剪力墙或框架结构，能更好的满足建筑需求且造价略有降低，因此具有更好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10％的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6度或7度的地区。

1异形柱结构的特点

异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2～4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构和异形柱框架—核心筒结构，其主要特点如下所述。

（1）由于截面的特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；

（2）对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱（H/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu为混凝土的极限压应变，χ为截面受压区高度）较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。

2异形柱结构设计应注意的问题

2.1结构布置和异形柱选形

由于异形柱结构受力复杂的特殊性，首先在结构布置和异形柱选形上应注意。异形柱同截面形状性能不同；相同截面形状但肢高与肢厚比不同时性能也不同；当所受荷载方向相同时性能又有差异；若截面形状不对称时性能更为复杂。因此，在结构布置时，除了严格遵守《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）有关条文外，抗侧力构件力求合理均匀布置，减小结构布置的不规则性，避免产生过大的偏心和扭转，特别是异形柱框架—剪力墙结构。结构布置合理与否，将导致平面是否规则、偏心和扭转效应是否改善、对抗震是否有利的大问题。

在结构布置时，异形柱选形也至关重要。试验和理论分析表明，异形柱截面中“十”形截面承载力高于“T”形，“T”形又高于“L”形，“L”形截面柱抗震性能最差，尽量少用。另外，宜采用等肢等厚异形柱。当不等肢时，两肢肢高比不宜大于1.6；不等厚时，肢厚差不大于50mm且最小肢长不应小于500mm，最小肢厚不应小于200mm。

工程中经常出现门边“L”形柱肢长小于500mm现象，此时建议将长肢加长为短肢墙，否则肢长小于500mm的异形柱附加偏心矩取值不符合规范要求，且对框架节点核心区不利。避免混合使用等肢和不等肢的异形柱，否则异形柱的双向偏压正截面承载力随荷载方向不同会出现错综复杂的差异。对地震作用计算非常不利。

2.2异形柱轴压比控制和梁柱节点核心区计算

异形柱轴压比控制和梁柱节点核心区受剪承载力计算是异形柱结构设计的两大特色。由于异形柱与矩形柱在截面特性、内力、变形及抗震性能上均有较大差异，《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）专门针对异形柱结构特点制定了相应的条文规定，且比其他规程要求严格。例如6度区应进行地震作用计算及结构抗震验算，应进行梁柱节点核心区受剪承载力计算等。

在结构计算中，我们应特别注意控制柱轴压比和进行梁柱节点核心区受剪承载力计算的条文规定。由于异柱柱截面的特殊性，其抗震性能较弱，为满足国家抗震设防要求，保证结构体系具有足够的抗震延性，根据异形柱截面双向偏压柱的工作机理，分析影响各种截面形状柱的截面曲率延性的主要因素，通过分析框架位移延性与梁、柱构件截面曲率延性之间的相互关系及大量的电算分析，得到了在不同抗震等级下异形柱轴压比与配特征值的关系，据此给出了小于普通柱轴压比的异形柱轴压比限值。此限值是结构体系抗震性能的保证，设计中尤其注意应使构件满足此限值，特别是对一些平面不规则的结构更应严格控制。

梁柱节点是异形柱结构的薄弱部位。由于节点的作用是将本层和上层荷载通过核心区传至下层柱中，其作用力为与节点相连的梁端和柱端弯矩、轴力、剪力、扭矩，受力非常复杂。矩形截面柱节点由于正交方向梁对节点核心区混凝土的约束作用，具有一定的受剪承截力，对非抗震和三、四级抗震等级节点，不用对节点核心区进行受剪力承载力计算，仅需满足抗震构造措施要求，只对一、二级抗震等级节点核心区进行受剪承截力计算。而异形柱框架节点却不同。由于异形柱截面的特点，正交方向梁截面的宽度与柱接触面积较小且偏置，对节点核心区混凝土难以达到约束。试验表明，同等截面面积的异形柱节点核心区受剪承载力低于矩形柱。由于异形柱剪压比与矩形柱相差3倍，容易在节点核心区产生阻压应力，使混凝土压坏。因此必须对异形柱框架节点核心区进行受剪承载力计算，无论是非地震区或地震区（包括高、低抗震区)均应计算。这是异形柱结构设计必须执行的强制性条文。首先限制节点核心区截面，避免截面太小混凝土承受过大的斜压力，导致核心区混凝土首先被破坏，其次是控制节点核心区配箍面积，保证节点受剪承载力，改善节点的抗震性能。

2.3构造措施

合理的结构设计构造措施是至关重要的。为了保证各构件间和内部传力直接、明确、合理，并具有足够的耐久性，必须采取构造措施。鉴于异形柱与矩形柱在截面、内力和变形、抗震性能等的差异，异形柱的构造措施要求更高，在结构设计中我们应注意以下几方面的构造问题。

首先，我们应遵守异形柱肢厚、纵向受力钢筋直径和保护层厚度、全部纵向受力钢筋最大配筋率的规定。由于异形柱在反复荷载作用下受剪承载力比单调荷载作用下降低，主要是粘结破坏的影响。试验表明，随着反复荷载的施加，异形柱出现弯剪裂缝，随后在腹板内出现粘结裂缝，裂缝沿柱高进一步发展，混凝土保护层剥落，部分纵筋、箍筋裸露，纵筋与混凝土间出现相对位移，翼缘与腹板纵筋间混凝土酥裂，丧失承载力。因此，保证异形柱的肢厚是保证钢筋的设置和钢筋与混凝土的粘结锚固长度。注意纵向受力钢筋直径和保护层厚度，避免直径过大造成粘结强度不足和节点核心区钢筋设置困难，直径太小在相同箍筋间距下s/d增大，使柱延性下降。而保护层厚度的规定是为了满足结构构件耐久性和受力钢筋有效锚固的要求。因异形柱截面尺寸不允许出现负偏差及保护层厚度对异形柱构件抗力影响的敏感性，必须遵守规程中保护层厚度的规定。由于异形柱肢厚有限，纵向受力钢筋的粘结强度较差，为减少粘结破坏和节点钢筋设置困难，规程规定了不同于矩形柱的纵向钢筋总配筋率。

其次，遵守异形柱框架节点构造要求是保证节点安全可靠的重要措施。必须满足节点核心区箍筋的最大间距、最小直径、配筋特征值和体积配筋率最小值的规定，从而保证在荷载和地震作用下对节点核心区混凝土提供必要的约束并具有基本的抗剪能力。必须满足梁柱纵向受力钢筋在节点处的可靠锚固和粘结，从而保证梁端和柱端的弯矩、剪力、轴力、扭矩通过钢筋受拉及受压（和混凝土受压）传递到节点区，保证节点具有良好的工作和抗震性能。

3结论

异形柱与一般的矩形柱结构虽存在着共性，却又有着各自的特性。因此，在异形柱结构设计中应注意根据异形柱截面、内力、变形、抗震性能的特点，从结构布置及异形柱选形、异形柱结构计算分析及构造措施等方面准确、优质、高效进行设计，确保设计质量和结构安全。