異形柱框架結構體系的設計要點

錢 坤 李淵哲

長春建筑學院（130607）

1 引言

結構體系是建筑的支撐部分，是載體，是工業化的首選，為構件一體化設計創造首要條件。 建筑設計的過程中，對于結構體系的選擇至關重要。 結構體系決定了整體設計的施工工藝，以及對于建筑材料和施工方式的選擇，影響到諸多后續的設計方案。異形柱框架結構是我國近幾年來大力推廣的建筑結構形式，與普通框架結構相比，其結構在室內布置中作為主要承重構件，將框架及剪力墻結構構件的優點融合，為建筑設計與建筑空間的有效利用提供了有利條件，有良好的經濟與社會效益。

1.1 異形柱結構體系的概況

異形柱，顧名思義即是不規則形態的柱子，柱子的截面形狀常見的有T 型、L 型、十字型，因其特殊的截面形狀， 所以梁柱節點處核心區面積會很小，節點處抗震性能較差，這種特殊構造對整體結構抗震性能的影響尚處于進一步研究當中。 通常情況下，對異形柱各肢長度是否一致沒有明確的設計要求，但為設計及后續計算方便，需設計為等肢異形柱，若因結構需要而設計為不等肢時，肢高比要小于1.6。考慮到結構的空間布置，要盡量使肢厚與連墻厚度相等，避免出現凸柱，否則會失去結構空間排列的意義。

1.2 異形柱框架結構的優點

對于大眾而言，更關心的是住房內部的實際使用面積，在有限的空間內如何將家具布置得更合理，這也就對結構形式有了實際要求。傳統的矩形柱框架結構因其結構形式單一，建筑空間無法得到充分利用，已無法滿足大眾需求。 異形柱框架結構有效地提升了住宅室內平面空間布置的效果，使住房空間的使用率得到了有效提高；對于施工而言，施工速度加快，施工質量得到保障，其綠色、環保、節能等特點也符合可持續發展的理念； 對于結構而言，異形柱結構體系在很大程度上減輕了結構自身的重量，相同條件下，異形柱的柱截面面積要小于矩形柱的柱截面面積，減少了柱的重量，此外填充墻材料可以選擇輕質材料，從而大大減少了異形柱結構的整體重量，避免因自重過大而造成結構整體穩定性失衡，同時也提高了結構的抗震性能。

2 異形柱結構體系的計算

2.1 計算方式

從大多工程實例來看， 單肢的異形柱比較少見；在多肢的情況下，其剪切面形心處往往處于受力控制范圍之外，受力時要靠各柱肢交點核心處來協調變形和內力，這種變形和協調存在相當大的翹曲應力和剪應力。 在柱截面對稱軸受到水平力作用的情況下，因其結構的特殊形式，計算分析的翹曲應力會很小，此時承受水平力的偏壓構件仍可按照平截面假定分析， 并根據具體的設計規范進行計算；當水平力較大時，在一定程度上會出現水平作用力偏離對稱軸的情況，這時應將翹曲應力考慮到影響范圍之內，一般可通過SATWE 軟件來進行受力分析，以決定柱的配筋形式。

2.2 注意事項

在實際施工過程中，房屋內部結構中布置的垂直構件并非都是異形柱。 通常由墻肢相對較長的剪力墻和一些短肢剪力墻混合形成異形柱框架結構。在對這種結構進行計算時，一些設計師通常將異形柱計算為短肢墻， 或者根據短肢剪力墻計算異形柱框架結構當中的所有異形柱，這與原設計方案肯定有很大的差異，不僅會影響整體結構的安全，而且會造成不必要的錯誤。

3 構造要求

異形柱結構的構造形式較為復雜，因此其應用會受到一定的限制。 為保證異形柱結構的可靠性和安全性，在實際設計過程中，需注意以下幾點：

3.1 結構的平面布置

在整個結構的布局中，設計人員不應局限于整體使用異形柱，為了保證結構形式的完整，也為了使結構整體穩定性達到規范要求，可以將矩形柱與異形柱混合使用于結構當中。 在受力復雜的區域，應特別注意矩形柱的使用，布置面積應使結構平面剛度均勻對稱，并應盡可能控制或減少扭轉效應的不利影響；注意垂直布局的形狀，從簡規劃，避免樓層剛度沿垂直方向的突變。

3.2 軸壓比及剪跨比的控制

軸壓比是控制結構延性的重要因素。 通過計算，側向延性會隨著軸壓比的上升而急劇下降，延性大幅度下降不單局限于異形柱，矩形柱也會出現類似情況。 為保證異形柱的延性符合國家規范要求，應把控好軸壓比， 設計人員在選擇柱的截面尺寸時，應保證其截面足夠大，以防止因出現任何偏壓而破壞結構形式，同時還需滿足抗震要求。

剪跨比影響著結構的抗剪承載力，是一項重要參數。 異形柱結構的抗剪性能與其他結構相比較差，應盡量避免短柱設計出現在結構中。

3.3 配筋要求

為了使異形柱具有更高的安全性，柱節點有更好的延展性和凝聚力，同時減小節點區鋼筋配置的困難，異形柱結構的框架柱全部縱向受力鋼筋的最大總配筋率為3%， 而普通矩形受力鋼筋的總配筋率為5%； 異形柱結構框架柱各受力鋼筋最小總配筋率要求見表1，按總截面積計算的柱肢縱筋率不得小于0.2%。

表1 異形柱結構各受力鋼筋最小配筋率

3.4 高寬比的限定

異形柱框架結構體系的使用具有局限性，僅適用于低層住宅，這和它的構造形式有關。 為保證整體結構的穩定性和抗震性能，必須對其結構的高寬比進行合理規劃。 關于異形柱框架結構房屋使用的最大高寬比要求見表2。

表2 異形柱框架結構的高寬比

4 結語

異形柱結構是多層住宅中常用的結構形式。 在多層住宅當中，如果應用純剪力墻結構會使得施工量增加，施工周期加長；采用框架結構，柱子的占用面積增多，無法達到空間最大使用效果；采用砌體結構，它的整體性能與異形柱框架結構相比也相差很多。 異形柱框架結構具備諸多優點，在廣泛應用的過程中也越來越受到建筑行業的喜愛，不僅形成了新的建筑結構體系，也為住宅建筑創造了實實在在的使用價值。 異形柱結構本身具有良好的受力能力，與剪力墻結構互補組成了完整的綜合建筑結構。 但異形柱結構截面變形能力等性能較矩形柱不足，而且異形柱結構的破壞形態明顯，這就需要設計人員在計算分析以及構造形式上精準把控，通過必要的構造措施來確保設計的質量和結構的安全。