异形柱框架结构体系的设计要点

钱 坤 李渊哲

长春建筑学院（130607）

1 引言

结构体系是建筑的支撑部分，是载体，是工业化的首选，为构件一体化设计创造首要条件。 建筑设计的过程中，对于结构体系的选择至关重要。 结构体系决定了整体设计的施工工艺，以及对于建筑材料和施工方式的选择，影响到诸多后续的设计方案。异形柱框架结构是我国近几年来大力推广的建筑结构形式，与普通框架结构相比，其结构在室内布置中作为主要承重构件，将框架及剪力墙结构构件的优点融合，为建筑设计与建筑空间的有效利用提供了有利条件，有良好的经济与社会效益。

1.1 异形柱结构体系的概况

异形柱，顾名思义即是不规则形态的柱子，柱子的截面形状常见的有T 型、L 型、十字型，因其特殊的截面形状， 所以梁柱节点处核心区面积会很小，节点处抗震性能较差，这种特殊构造对整体结构抗震性能的影响尚处于进一步研究当中。 通常情况下，对异形柱各肢长度是否一致没有明确的设计要求，但为设计及后续计算方便，需设计为等肢异形柱，若因结构需要而设计为不等肢时，肢高比要小于1.6。考虑到结构的空间布置，要尽量使肢厚与连墙厚度相等，避免出现凸柱，否则会失去结构空间排列的意义。

1.2 异形柱框架结构的优点

对于大众而言，更关心的是住房内部的实际使用面积，在有限的空间内如何将家具布置得更合理，这也就对结构形式有了实际要求。传统的矩形柱框架结构因其结构形式单一，建筑空间无法得到充分利用，已无法满足大众需求。 异形柱框架结构有效地提升了住宅室内平面空间布置的效果，使住房空间的使用率得到了有效提高；对于施工而言，施工速度加快，施工质量得到保障，其绿色、环保、节能等特点也符合可持续发展的理念； 对于结构而言，异形柱结构体系在很大程度上减轻了结构自身的重量，相同条件下，异形柱的柱截面面积要小于矩形柱的柱截面面积，减少了柱的重量，此外填充墙材料可以选择轻质材料，从而大大减少了异形柱结构的整体重量，避免因自重过大而造成结构整体稳定性失衡，同时也提高了结构的抗震性能。

2 异形柱结构体系的计算

2.1 计算方式

从大多工程实例来看， 单肢的异形柱比较少见；在多肢的情况下，其剪切面形心处往往处于受力控制范围之外，受力时要靠各柱肢交点核心处来协调变形和内力，这种变形和协调存在相当大的翘曲应力和剪应力。 在柱截面对称轴受到水平力作用的情况下，因其结构的特殊形式，计算分析的翘曲应力会很小，此时承受水平力的偏压构件仍可按照平截面假定分析， 并根据具体的设计规范进行计算；当水平力较大时，在一定程度上会出现水平作用力偏离对称轴的情况，这时应将翘曲应力考虑到影响范围之内，一般可通过SATWE 软件来进行受力分析，以决定柱的配筋形式。

2.2 注意事项

在实际施工过程中，房屋内部结构中布置的垂直构件并非都是异形柱。 通常由墙肢相对较长的剪力墙和一些短肢剪力墙混合形成异形柱框架结构。在对这种结构进行计算时，一些设计师通常将异形柱计算为短肢墙， 或者根据短肢剪力墙计算异形柱框架结构当中的所有异形柱，这与原设计方案肯定有很大的差异，不仅会影响整体结构的安全，而且会造成不必要的错误。

3 构造要求

异形柱结构的构造形式较为复杂，因此其应用会受到一定的限制。 为保证异形柱结构的可靠性和安全性，在实际设计过程中，需注意以下几点：

3.1 结构的平面布置

在整个结构的布局中，设计人员不应局限于整体使用异形柱，为了保证结构形式的完整，也为了使结构整体稳定性达到规范要求，可以将矩形柱与异形柱混合使用于结构当中。 在受力复杂的区域，应特别注意矩形柱的使用，布置面积应使结构平面刚度均匀对称，并应尽可能控制或减少扭转效应的不利影响；注意垂直布局的形状，从简规划，避免楼层刚度沿垂直方向的突变。

3.2 轴压比及剪跨比的控制

轴压比是控制结构延性的重要因素。 通过计算，侧向延性会随着轴压比的上升而急剧下降，延性大幅度下降不单局限于异形柱，矩形柱也会出现类似情况。 为保证异形柱的延性符合国家规范要求，应把控好轴压比， 设计人员在选择柱的截面尺寸时，应保证其截面足够大，以防止因出现任何偏压而破坏结构形式，同时还需满足抗震要求。

剪跨比影响着结构的抗剪承载力，是一项重要参数。 异形柱结构的抗剪性能与其他结构相比较差，应尽量避免短柱设计出现在结构中。

3.3 配筋要求

为了使异形柱具有更高的安全性，柱节点有更好的延展性和凝聚力，同时减小节点区钢筋配置的困难，异形柱结构的框架柱全部纵向受力钢筋的最大总配筋率为3%， 而普通矩形受力钢筋的总配筋率为5%； 异形柱结构框架柱各受力钢筋最小总配筋率要求见表1，按总截面积计算的柱肢纵筋率不得小于0.2%。

表1 异形柱结构各受力钢筋最小配筋率

3.4 高宽比的限定

异形柱框架结构体系的使用具有局限性，仅适用于低层住宅，这和它的构造形式有关。 为保证整体结构的稳定性和抗震性能，必须对其结构的高宽比进行合理规划。 关于异形柱框架结构房屋使用的最大高宽比要求见表2。

表2 异形柱框架结构的高宽比

4 结语

异形柱结构是多层住宅中常用的结构形式。 在多层住宅当中，如果应用纯剪力墙结构会使得施工量增加，施工周期加长；采用框架结构，柱子的占用面积增多，无法达到空间最大使用效果；采用砌体结构，它的整体性能与异形柱框架结构相比也相差很多。 异形柱框架结构具备诸多优点，在广泛应用的过程中也越来越受到建筑行业的喜爱，不仅形成了新的建筑结构体系，也为住宅建筑创造了实实在在的使用价值。 异形柱结构本身具有良好的受力能力，与剪力墙结构互补组成了完整的综合建筑结构。 但异形柱结构截面变形能力等性能较矩形柱不足，而且异形柱结构的破坏形态明显，这就需要设计人员在计算分析以及构造形式上精准把控，通过必要的构造措施来确保设计的质量和结构的安全。