异形柱结构设计问题分析探讨

异形柱结构设计问题分析探讨
在结构设计中，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，因此，得到了广泛应用。

本文阐述了异形柱设计中应注意的问题。

标签异形柱；设计；问题
随着多层和中高层的民用住宅建筑在我国城镇中越来越多，而这些住宅设计多因建筑上要求平面的灵活性和结构设计上的抗震要求而大多采用钢筋混凝土框架结构体系，由于普通钢筋混凝土框架柱多采用矩形断面的型式，且柱断面较墙断面宽，常常使柱子突出房间内墙，形成墙角，在使用上产生诸多的不便，也使房间的实际建筑使用面积减小，影响环境美观，住宅用户和开发商对此颇有意见，为解决这个日益突出的实际设计在使用过程出现的矛盾，钢筋混凝土异形柱的设计自然而然地被一些设计人员所采用，这种异形柱的框架体系能较好地解决目前住宅框架体系设计中的矛盾。

1、异形柱结构的受力分析
1.1 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。

1.2 对于长柱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，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/ x （εcu为混凝土的极限压应变，x 为截面受压区高度）较小，使弯曲变形性能有限，延性较差。

1.3 异形柱剪切中心往往在平面范圍之外，受力时要靠各柱肢交点处核心混凝土协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，导致柱肢易先出现裂缝，也使得核心混凝土处于三向剪力状态，造成异形柱变形能力低，脆性破坏明显；特别是异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。

由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S 与纵筋直径 D 的比值等。

由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

2、异形柱设计中应注意的问题
2.1 加大配箍率
由于钢筋混凝土异形柱一般采用复合箍筋，因此这里只讨论配箍率对截面延
性的影响，箍筋的作用是对混凝土进行横向变形约束，不但可以提高混凝土的峰值应力，还可以提高混凝土的极限压应变，这也是箍筋可以提高框架柱延性的根本原因。

试验研究表明，在低轴压比情况下配箍率对延性的影响比高轴压比大；箍筋间距越小，箍筋直径越大，框架柱的截面延性越好，而且在同等配箍率的情况下，减小箍筋间距比增大箍筋直径的效果要好，随着轴压比的增大，配箍率对柱延性的影响逐渐变小。

通过加强异形柱的箍筋配筋量，特别是腹板的配筋量可以实现“强剪弱弯”的设计目标。

2.2 控制轴压比限值
在异形柱结构中，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重要的作用，为保证异形柱的延性，应严格控制轴压比。

研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，并应满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱。

目前的混凝土结构设计规范就是通过规定轴压比限值来保证框架柱具有一定的延性，关于异形柱的轴压比限值问题，已经对异形柱的轴压比限值给出了明确的规定。

异形柱的轴压比限值普遍低于矩形柱的限值，在同一抗震等级中，L 形柱的限值最小，十字形的限值最大，T形的则居中，由此也反映了这三种构件的延性性质。

2.3 材料的选择
考虑采用高强混凝土，工程应用人员普遍认为它有两大缺点：技术难度大和延性差，但是，随着新技术的应用以及对混凝土材料的深入研究，混凝土长期以来被低估的性能已展现出来。

事实上，高强混凝土可以满足许多特殊要求，高强混凝土在异形柱中的应用具有以下优点：明显减小柱内轴压比，有利于提高柱的延性；可减小异形柱截面肢长，不易造成短柱，轴压强度提高，使柱的剪跨比增大，剪压比（V/ bhfc）减小，从而提高了柱的剪切抗力，避免出现剪切型破坏，提高结构的抗震性能。

对于延性随强度增加而降低的问题，可以考虑采用掺加适量的纤维，纤维混凝土的研究已取得了长足的进步，其改善混凝土的延性，提高强度和抗裂性是非常显著的，高性能混凝土在异形柱结构体系中的应用必将突破轴压比限值较低的限制，使其能得到更广泛的应用。

2.4 构造处理
（1）加大楼板厚度：由于异形柱结构体系是空间受力体系，因此，加强楼板厚度可以有效加强结构的空间受力特性，保证结构各构件间协调受力，还能有效降低异形柱的扭转受力；
（2）增加构造钢筋：在异形柱的内角楼板内加设一些放射性的板面钢筋，提高板的反向抗弯能力；
（3）加强异形柱柱端纵向钢筋的配筋量或者在柱端设置暗柱，研究表明，暗柱的设置可以使异形柱承载力提高 4.5%～20.3%，延性系数提高15.1%～35.8%，因此，上述措施可以有效的防止构件在剪力作用下的斜裂缝开展，增强
构件的延性。

2.5 节点构造
由于异形柱截面宽度较小，因而在节点处应严格加强构造措施，以保证结构有较好的延性，达到“强节点强锚固”的抗震要求。

通过限制异形柱各肢端部纵向钢筋直径来保证纵向钢筋骨架有良好的垂直度；采取柱的纵向钢筋贯穿中间节点和端点，杜绝节点核心区内接头，配置异形柱箍筋等措施保证达到延性要求。

2.6 柱与基础的连结
由于异形柱截面形心比矩形柱难以确定，如果直接将异形柱连结到基础，给设计和施工都带来不便。

另一方面，由于地基情况千变万化，同一幢建筑物的基础埋深经常有所不同，这样在基础梁与基础之间可能会形成短柱，对抵抗水平力极为不利。

设计中通常将这段短柱设为矩形柱，底层异形柱与矩形柱相连并与基础梁连成整体，可以有效地减少水平力产生的应力集中，同时也方便基础放线定位施工。

3、结束语
异形柱框架结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力特点，充分了解其破坏机理，选用合理的柱网布置形式，正确掌握计算机分析方法加上人为分析，合理配置截面钢筋，使结构具有可靠的安全保证。

参考文献：
[1]张维福，刘敏.浅析异形柱结构设计的几个问题[J].中国科技信息.2011（03）
[2]张华.宾馆建筑异形柱框架结构设计探讨[J].建筑设计管理.2012（10）
[3]路建民，王前林.混凝土异形柱框架结构的设计及应用[J].河南建材.2010（03）。