住宅建筑異形結構柱設計方法研究

【摘 要】中國城鎮化進程推進城市住宅建設的發展。在建筑結構的設計中，異形結構柱設計具有不凸出墻面的優點，而且在房間的布置的過程中不必考慮墻面的處理，擺放家具具有隨意性，因此在目前的建筑結構設計中被廣泛使用。本論文針對住宅建筑異形結構柱設計方法進行探究。

【關鍵詞】住宅建筑；異形結構柱設計；框架結構

建筑構造采用普通的框架結構，梁柱會在房屋的墻面上凸顯出來，妨礙的美觀，而且為房屋的裝修設計帶來了諸多的不便，更重要的是在房屋裝修中提高了成本。鑒于普通的框架結構對于建筑平面和空間存在著局限性，而且影響到房屋的分隔，因此而逐漸被淘汰。在建筑結構設計中，使用異型結構，可以很好地解決傳統框架結構所出現的問題，其不會凸出墻面，因此在家具的布置和空間視覺效果上都較為理想。

一、異形結構柱及其受力特點

（一）異形結構柱的概念

異形結構柱區別于矩形柱，從建筑結構上來看，其是借鑒剪力墻設計轉變而來的。在建筑結構設計上，采用了組合截面柱，以確保構造的強度和延展性。在建筑框架結構設計中，常用的異形結構柱有十字形、L 形、T 形和Z 形，柱肢截面中各肢的設計標準為：肢高與肢厚均小于（等于）4。在異形結構柱的使用上，墻的轉角部位多使用L 形的異形結構柱，在縱橫墻的交接處，通常會選用十字形或者T 形的結構柱。柱肢的寬度要等同于填充墻體的厚度，寬度要小于0.30m標準寬度界定在0.20m至0.25m范圍內。如果肢長較大，在柱肢的寬度設定上要選擇0.60m至0.80m的寬度。

（二）異形結構柱的受力特點

異形結構柱的柱截面存在著自身的特點，并不會因為由剪力墻轉變而來而完全帶有剪力墻結構的特點，也不會與普通的框架結構相似。

首先，由于異形結構柱截面設計上的特殊性，會導致墻肢平面向內的剛度和向外大剛度差距拉大的情況下，形成了各向的剛度出現了不一致的現象，因此不同方向的承載力也會有所不同。

其次，異形結構柱屬于多肢結構，剪切中心在受力的時候，要使變形力和內力得以協調，就要依賴于各個柱肢之間的交點處來實現，從而使各個柱肢當中都出現了一定程度的剪應力和翹曲應力。這種現象的存在，很容易導致柱肢出現破裂，使得核心砼處出現了三向剪力狀態，導致異形結構柱出現了明顯的脆性破壞。出現這種狀況的主要原因，就是異形結構柱的剪切中心往往并不處在結構柱的平面范圍內。

再次，與矩形柱有所不同，異形結構柱具有較差的延性，主要是基于其在受力的時候，會有單純翼緣柱肢受壓的狀況存在。異形結構柱遭到破壞是在荷載角、剪跨比、軸壓比、箍筋間距（ S ）與縱筋直徑（D）之間的比值和配箍率等等因素的促動下形成的，其所呈現出來的形態為彎曲破壞、壓剪破壞以及小偏壓破壞等等。在實際應用中，受力的性能會更為復雜，那么在設計中就要多方面因素考慮，建筑異形結構柱面布置合理，在計算程序和結構措施上，都要選取得當的方法，以確保建筑異形結構柱的承載力。

二、住宅建筑采用異形結構柱設計原則

目前城市建筑鱗次櫛比，以高層建筑為主。建筑框架結構采用異形結構柱設計，在高層建筑中要受到局限。安全起見，框架結構的層數低于12層的小高層建筑最宜采用異形柱框架結構設計。建筑筑的平面布置，在不對稱結構上，考慮到出現扭轉后對于建筑結構會出現不利的影響，因此采用異形結構柱設計，要確保平面結構的形狀和剛度都均勻對稱。采用異形柱框架柱網要掌握好尺寸設計，框架梁采取雙向設置，或者在一些承載較為脆弱的位置增設暗梁，并進行局部板加厚等加強處理措施，因此，對于豎向結構進行異形結構設計，要按照有關標準設計，并盡量均勻，否則，很有可能會出現樓層剛度豎向不均勻而導致突變，或者是外挑內收的現象發生。

關于抗震作用的計算方法，異形結構柱的高度如果低于40米，就要采用剪切變形的方法。當異形結構柱具有均勻的質量和剛度的時候，可以采用底部剪力法。

異形柱框架結構中關于內力和位移的計算，要考慮各個抗側結構，因此可以按照彈性方法進行計算。在異形結構柱結構的設計上，可以采用計算機分析方法，基于計算機虛擬空間設置，協同平面抗側力結構。此外，在異形結構柱框架結構的內力分析上，構件截面的設計應選取內力最不利組合作為參考，其中還要考慮地震作用效應和荷載效應。

三、異性結構柱設計在住宅建筑中的應用

（一）工程實例

某高校七層宿舍樓建筑設計為框架結構，建筑主體結構的高度為20米。宿舍樓長為32米，寬13米，總建筑面積大約為1890平方米。建筑物框架結構設計為二級的安全等級，抗震設防度為7度，丙類。建筑框架的抗震等級為三級，50年的設計使用年限。從建筑物所在場地來看，地面粗糙度為B類，場地的類別屬于Ⅱ類，地震加速度值界定在 0.10g，采用C40混凝土強度等級。

（二）建筑異性結構柱設計計算

在建筑異形結構柱的設計上，與矩形截面柱有所類似，對于中長柱設計主要采用的計算方法為初始偏心距乘以偏心增大系數ηb。但是從普遍使用的程序計算方法來看，很多的建筑框架結構依然考慮矩形柱截面的計算，因此，要對于異性結構柱進行技術處理，以適應計算機設計軟件的使用要求。

1.將柱肢切分為多個矩形段進行計算

首先是進行整體分析。在空間結構體系中，將異形結構柱的主形心慣性矩求出來，然后運用材料力學公式將該截面在主軸的慣性矩和方向角計算出來，并求出主軸和梁的單元剛度。以各項計算結果為參考進行建筑異形結構柱的整體分析。之后，運用材料力學公式得出作用于異形結構柱截面上每個關鍵點的應力，使用數學積分的方式將每一段柱肢發生在平面內的彎矩、軸力和剪力計算出來，按照對稱筋的方法，得出配筋的計算結果。

2.將異形結構柱等效轉換為矩形柱

（1）按照一個方向剛度轉換，剛度相等、面積相等

對于平面布置結構，如果布置規整，而且可以形成橫向的平面框架，那么異形結構柱等效轉換為矩形柱，可以按照橫向平面內所存在的等同的慣性矩和相等面積的正截面進行轉換。這種計算方法通常誤差會控制在5%以內。

（2）按照兩個方向剛度相等轉換

隨著住宅建筑設計的復雜化，建筑結構柱幾乎都沒有形成完整的平面框架，異形結構柱所呈現出來的兩個方向的彎度無法進行主次判斷，而且主彎曲的方向有所不同，此時，對于異形結構柱的計算應該考慮到雙向偏心受壓狀況。

（3）建筑異形結構柱的抗震性能

對于建筑異形結構柱的抗震性能進行分析，要從整體方面進行綜合考慮，通常所采用的框架結構設計為異形截面柱和框架-剪力墻結構，變形特征接近于普通矩形截面柱。然而斜截面的抗剪承載力會在翼緣的作用下比矩形截面柱高出一些，導致了建筑框架結構的整體剛度增大，側移效果降低。從整體的抗震效果上來看，由于自振周期變短而加大了水平地震的作用力，但基于剛性結構良好，因此抗震性并不會受到較大的影響。

結論：

綜上所述，隨著國民經濟的發展，建筑業興起，人們生活水平提高的同時，對于住宅建筑的質量要求已經從基本的功能性上升到審美層次。與砌體結構相比，建筑異形鋼具有良好的抗震能力和結構延性，而且能夠改善房屋的使用條件，因此在建筑領域中具有廣泛的應用價值。

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