异形柱之浅见

异形柱的概念
　　异形柱是指在满足结构刚度和承载力等要求的前提下，根据建筑使用功能，建筑设计布置的要求而采取不同几何形状截面的柱，诸如：T、L、十字形等形状截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。异形柱各肢肢长，可能相等，或不相等，但提倡采用等肢异形柱。抗震设计时宜采用等肢异形柱，当不得不采用不等肢异形柱时，柱两肢的肢高比不宜超过1.6，且肢厚相差不大于50mm建筑界所讲的“异形柱”,特点是截面肢薄,由此引起构件性能与矩形柱性能的包括受力、变形、构造做法等一系列差异。制定规程主要是针对肢厚200、250mm的异形柱。其形式与短墙肢相似,若肢较长就称短墙肢,很难划分两者的界线。 　　[1]其中“Z”、“一”形柱未列入规程的原因如下。 　　第一,“Z”形柱在实际工程中,应用很多。“Z”形截面柱与“一”形截面柱类似,即两主轴方向抗弯能力相差甚大,多数情况下是Z形的上下两水平肢受与其方向一致的力,即由两根梁传来的拉力或压力,这只有通过中间肢的受扭来传递,后果只能是中间肢的断裂。“Z”形异形柱目前研究的不是很多,但在实际工程还是有用的。如果结构中只是个别柱为Z形,可以采用加强构造的设计。 　　第二,“一”形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大。不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是受到两个方向的弯矩同时作用,其受力后的表现可想而知,它在双向剪力作用下性能也不好,由GB50010柱双向受剪承载力计算公式可见,柱截面相邻两边长相差越多,其斜向受剪承载力越低。
异形柱应用范围
　　异形柱应用在7度设防以下。在异形柱结构中使用扁平柱是可以的,建议最小厚度取250,梁纵筋用3级钢,直径不超过12。各项验算同普通框架柱,构造和轴压比建议控制更严格一些。因“一”形异形柱不提倡用,在某工程上缺了还不行,没办法可用扁平柱,其计算按矩形柱方法计算。 　　地震力系数放大,自振周期折减。因用异形柱导致刚度下降,使得地震力减小,应采用地震力放大系数来适当地增加地震力。计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期,应考虑非承重填充墙体对结构整体刚度的影响予以折减。
一.异形柱限制砼强度等级≥C25和≤C50原因
　　由于异形柱截面尺寸薄，砼强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求；C50以上的异形柱构件及结构科学研究相对较少，还不足以行成编制规程条文的基础，所以这次规程未列入。
二.底层减柱的限制
　　1、落地的框架柱应连续贯通房屋全高；不落地的框架柱应连续贯通转换层以上的所有楼层。底部抽柱数不宜超过转换层相邻上部楼层框架柱总数的30%。转换层下部结构的框架柱不应采用异形柱；底部抽柱带转换层的异形柱结构可用于非抗震设计和6度、7度（0.10g）抗震设计的房屋建筑； 　　2、底部抽柱，带转换层的异形柱结构在地面以上大空间的层数：非抗震设计不宜超过3层；抗震设计不宜超过2层； 底部抽柱带转换层异形柱结构适用的房屋最大高度应按本规程第3.1.2条规定的限值降低不少于10%，且框架结构不应超过6层。框架－剪力墙结构，非抗震设计不应超过12层，抗震设计不应超过10层； 　　3、 不落地的框架柱应直接落在转换层主结构上。托柱梁应双向布置，可双向均为框架梁，或一方向为框架梁，另一方向为托柱次梁；转换层上部异形柱向底部框架柱转换时，下部框架柱截面的外轮廓尺寸不宜小于上部异形柱截面外轮廓尺寸。转换层上部异形柱截面形心与下部框架柱截面形心宜重合，当不重合时应考虑偏心的影响； 　　4、 转换层及下部结构的混凝土强度等级不应低于C30；转换层楼面应采用现浇楼板，楼板的厚度不应小于150mm，且应双层双向配筋，每层每方向的配筋率不宜小于0.25%。楼板钢筋应锚固在边梁或墙体内； 　　5、 转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比宜接近1。转换层上、下部结构侧向刚度比可按国家行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第E.0.2条的规定计算。规程不允许次梁转换(二次转换)。 　　6、 托柱框架梁的截面宽度，不应小于梁宽度方向被托异形柱截面的肢高（就是柱全由梁宽包住）或一般框架柱的截面高度；不宜大于托柱框架柱相应方向的截面宽度。托柱框架梁的截面高度不宜小于托柱框架梁计算跨度的1/8；当双向均为托柱框架时，不宜小于短跨框架梁计算跨度的1/8。托柱次梁应垂直于托柱框架梁方向布置，梁的宽度不应小于400mm，其中心线应与同方向被托异形柱截面肢厚或一般框架柱截面的中心线重合。 　　7、注解：直接承托不落地柱的框架称托柱框架，直接承托不落地柱的框架梁称托柱框架梁，直接承托不落地柱的非框架梁称托柱次梁。
异形柱应用的意义
　　随着国家行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》颁布，砼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，为用户提供了理想的居住环境，受到房地产开发商和广大用户的欢迎，由于其符合室内布置的要求，且与墙体（指填充墙）连接良好，在我国许多省市的住宅建筑已有广泛的实际应用，甚至在8度地震设防区得到一定程度的应用。
异形柱的受力性能及其轴压比控制
　　天津大学的试验研究结果表明：异形柱的延性比普通矩形柱的差。轴压比、高长比（即柱净高与截面肢长之比）是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。 　　异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。 　　异形柱的延性比普通矩形柱的差，轴压比、高长比（即柱净高与截面肢长之比）是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。作为异形柱延性的保证措施，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，在于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。广东《规程》按建筑抗震设计规范（GBJ11—89）中所规定的柱子轴压比降低0.05取用（按截面的实际面积计算）；天津《规程》则根据箍筋间距与主筋直径之比、箍筋直径及抗震等级共同确定，其要求比广东《规程》严格，例如，对s/d=5、4（即箍筋间距s=100mm，纵筋直径d分别为20mm、25mm的情况），箍筋直径dv=8mm，抗震等级为三级的L形截面，其轴压比限值分别为0.60，0.65。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件，柱肢截面的肢厚比（即肢长/肢宽）不大于4。《高规》（JGJ3—91）第5.3.4条，“抗震设计时，小墙肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二级剪力墙的小墙肢，其轴压比不宜大于0．6”。根据上述分析，为便于应用，建议在6度设防区，对于异形柱框架结构，L形截面柱的轴压比不应超过0.6（按截面的实际面积计算，下同），T形截面柱的的轴压比不应超过0.65，十字形截面柱的轴压比不应超过0.8；对于异形柱框架—剪力墙（或核心筒）结构，由于框架是第二道抗震防线，所以框架柱的轴压比限值可放宽到0.65（L形）、0.70（T形）、0.90（+字形），但对于转换层下的支承柱，其轴压比仍不应超过0.60。
[编辑本段]异形柱在住宅建筑框架结构中的应用
　　[2]近年来采用框架结构的住宅建筑日见增多。这一方面是由于城市土地的宝贵．很多住宅的层数已建到七层以h另一方面是抗震设讣的要求．采用框架结构对七层以上建筑的抗震设防更为有利。但是，传统的框架 结掏柱子都采用矩形截面．所以不能完全被墙体所包围，柱角很大一部分露在房间内部，使得家具摆设．室内布置受到一定限制。特 别是小面积住宅更显影响，用户深感不便。人们普遍希望框架结构的住宅也能象砖混结构一样房间内部四角平整光滑．整齐美观．空间使用不受限制．这就给设计挺1出了新的要求。为了把柱子与墙体结合起来，设计几种截面形状的角柱，统称异形柱(见图1)，壁厚均设为180毫米，与通常的砖墙厚度一致。解决了柱有凸出墙的问题，取得了良好的使用效果。 　　采用有异形截面柱的高层住宅建筑，在设计中应尽量避免出现短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，须从构造上采取加强措施。根据高长比不宜小于4，在梁高600mm的前提下，当标准层为3.0m时，异形柱的最大肢长可为600mm；底层层高为4.2m时，肢长可为900mm。另外，对柱的纵向钢筋也有规定，河北省《钢筋混凝土异形柱框轻结构住宅技术规程》规定，在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应大于25mm，且不应小于14mm，内折角处应设置纵向受力钢筋，柱中纵向钢筋间距一般不宜大于200mm，最大不应超过250mm，不能满足时，应设置纵向构造钢筋，其直径可采用12mm，并设拉筋，拉筋间距与箍筋间距相同。箍筋最小直径φ8，最大间距200mm，对有抗震设防要求时，在柱上下两端的规定范围加密区最大间距为100mm。 　　由于异形柱截面宽度较小，因此在节点处应加强构造措施，以保证结构有较好的延性，达到“强节点弱锚固”的抗震要求。如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。在异形柱与矩形柱节点处，限制异形柱纵向钢筋插入核心区长度，配置异形柱箍筋等保证延性要求。
总结
　　异形柱已经产生了，像许多新生事物一样，具有很强的生命力和竞争实力进入建筑市场。但这新事物的应用还在初始阶段，系统的理论研究还不完整，积累的实验实践资料还很少，国家现行规范中还没有专门对异形柱的计算、设计、构造等作出明确的规定，只有一些地方标准，如河北省标准、广东省标准、天津市标准等为结构设计提供了依据。总之，异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构有着较大的市场需求，在设计中根据其受力特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋，其结构才能有可靠的安全保证。