异形柱结构受力分析与设计探讨

异形柱结构受力分析与设计探讨

【摘要】本文详细阐述了异形柱框架及异形柱框架一剪力墙结构在使用上显著的优点，及对这两种结构形式的受力特点、分析计算、构造措施等方面进行了探讨，提出建议，供结构设计人员参考。

【关键词】异形柱；框架；受力特点；结构设计

0.序言

近年来，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形式广泛使用于住宅建筑中，相对于传统的剪力墙或框架结构，异型柱结构具有可改造性好，用料省、造价低，居住环境比一般混凝土结构体系好，空间可得到充分利用，使用灵活方便的优点。由于异形柱结构具有上述许多显著的优点，该类结构形式的建筑在中小城市的房地产开发市场上将会有很广阔的前景，得到日渐广泛的应用。

1.异形柱结构的概念及优点

1.1.异形柱结构的概念

截面几何形状为“l”型、“t”型、“十”字型，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱，上述柱子相对于传统的正方形与矩形柱而言是异形的，称之为异形柱。而采用这种柱子的框架及框架一剪力墙结构称之为异形柱结构。

1.2. 异形柱结构的显著优点

（1）房间使用质量高。室内空间整齐，家具摆设容易。尤其在

层数较多的情况下，如采用矩形柱，柱子外露更多，使用受到相当大的限制，特别是小面积住宅更显影响，用户深感不便。

（2）提高有效面积比。异形柱的肢宽与墙厚相等或稍宽，因而没有矩形柱框架结构中柱子在房间里外露占去使用面积的缺点。与一般框架结构相比，此种结构可增加使用面积5%～10%左右。

2.受力特点

2.1.异形柱破坏机理

异形柱采用多个小墙肢的组合截面柱子，柱肢截面中各肢高厚比不大于4，常用的有“t”字型、“l”型、“十”字型、“z”字型、折线型、“一”字型形状。柱肢宽度一般使用与墙体相同的厚度，一般为200～250mm，不大于300mm。肢长较大，《规程》规定不小于500mm，一般为600～800。另外，不等肢异形柱肢高比一般不超过2.2，各肢截面厚度不能相差过大。

由于柱截面本身的特殊性，异形柱结构的受力特点既不同于剪力墙结构，与普通框架也相差很大，具有独特性，荷载作用的结构反应更加复杂。国内外大量的试验资料和理论分析证明，异形柱的破坏形态有：弯曲破坏、小偏压破坏、剪压破坏等，影响破坏形态的主意因素有：荷载角、轴压比、剪跨比、配箍率等。

2.2.内力计算

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。对8度区－6层住宅采用矩形柱和异形柱框架分别进行设计。

可以分别采用crsc和satwe程序对比分析，表明在地震作用下矩形柱框架结构的底部剪力要比异形柱结构小16％～26％左右，各层柱的平均剪力和节点剪力也比矩形柱框架增强多。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，但内力分析计算时，既不能完全按普通框架柱，也不能完全照搬短肢剪力墙。

相对精确的设计方法是：假设梁柱节点与普通框架梁柱节点相同，等主轴刚度和等截面面积条件把异形柱截面转化成等效矩形柱截面，利用空间有限元分析程序进行内力分析，求出柱的内力重新按照有关异形柱截面的配筋计算公式进行截面配筋验算。由于异形柱肢长比较大，梁相交时梁柱重叠部分较大，形成相似与壁式框架的梁柱刚域，梁的计算长度大大减小，实际结构的侧向刚度比计算模型大，导致地震力计算偏于不安全，对柱内力在程序计算结果的基础上乘以约1.1的放大系数或者加大周期折减度以适当考虑其影响。但对于普通设计人员来讲过于费时费力，不利于提高效率。

3.设计要点

3.1.结构方案

异形柱框架设计应成双向刚接梁柱抗侧力体系，可根据结构平面布置和受力特点，设计部分异形柱与部分矩形柱或剪力墙的形式，如下图（图1）：

图1 标准层平面图

特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置适用使结构平

面刚度均匀对称，减小扭转效应或尽量控制刚度均匀对称：注意竖向布置体型力求简单规则，过大的外挑内收尽量避免，避免楼层刚度沿竖向突变；不易过大柱网尺寸，最好不超过6m，柱矩大梁高也大，一方面柱承受的轴力也大，轴压比高，于抗震不利。另一方面建筑净空难以满足要求，为保证梁板对异形柱节点的约束，宜采用现浇楼。

3.2.截面设计

异形柱截面的肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。框架梁截面高度可按（1/10～1/15）lb确定（lb为计算跨度），且非抗震设计时不宜小于350mm，抗震设计时不宜小于400mm。梁的净跨与截面高度的比值不宜小于4。梁的截面宽度不宜小于截面高度的1/4和200。

3.3.轴压比控制

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，柱的控制其延性的因素很多，对异形柱更应从严控制。可以通过控制柱距、采用轻质墙体、布置改善和优化结构平面。柱肢端承受梁传来的集中荷载，如局部压应力大，可设置暗柱。除此之外，作为异形柱延性必须严格控制轴压比，同时避免高长比小于４（短柱）。控制柱截面轴压比的目的，要求柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。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。

3.4.节点设计

异形柱框架的肢厚不大，节点核心区有效水平截面积小。异形柱由于轴压比的要求，通常肢长较大，一般而言同截面面积的矩形柱来讲，刚度大，地震作用大，节点剪力比相同布置下（柱面积相等）的矩形柱结构大很多。所以异形柱框架节点都需要验算节点抗剪强度。又因为，异形柱肢厚度偏薄，节点斜压机制导致核心区斜压力相对较大，钢筋握裹性能差，难以满足施工质量的可靠性。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.结束语

本文通过几个异形柱结构的工程设计实践基础上，论述了这种结构形式的受力特点，并分析了其结构计算、构造的相关问题，对比了短肢剪力墙结构形式。异形柱结构受力机理具有自己的独特性及复杂性，只有在设计中遵循概念设计要求，进一步研究以完善设计理论，提高工程设计水平，才能确保结构安全可靠、经济适用。

参考文献

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