混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的受力性能、基本構(gòu)造與應(yīng)用有關(guān)問題的探討

詹煥輝

隨著社會的發(fā)展、人均收入和生活水平的不斷提高，普通的框架矩形柱住宅結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們對居住環(huán)境的需求?，F(xiàn)代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內(nèi)不能出現(xiàn)柱角、露梁等。因此，異形柱結(jié)構(gòu)能較好地滿足現(xiàn)代住宅及其建筑要求，因而受到了廣泛推廣。本文從異型柱的概念、受力性能、基本構(gòu)造以及與其他相似結(jié)構(gòu)的區(qū)別等方面進行了探討，供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

一、異型柱的概念

異形柱是指根據(jù)建筑平立面設(shè)計、布置、使用功能的需要，在滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性等前提條件下，采取不同幾何形狀截面而成的柱，諸如T、L、十字（不含Z字形）形狀截面的柱。在構(gòu)造上，異形柱截面一般要求各肢厚度不宜大于300mm，肢厚不應(yīng)小于200mm，肢高不應(yīng)小于500mm。

二、異型柱的受力性能與基本構(gòu)造

異形柱各肢肢長可以相等，也可以不相等，但提倡采用等肢異形柱。異形柱由于多肢的存在，其受力中心與截面形心往往不重合。在受力狀態(tài)下，各肢會產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力會使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，增加異形柱的脆性，從而降低異形柱的變形能力。為了盡可能達到異型柱本身的受力均衡性，提高結(jié)構(gòu)的抗震性和破壞延性，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以在抗震設(shè)計時采用等肢異形柱；在整體梁柱結(jié)構(gòu)布置時，盡可能采用對稱布置，使結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件受力更均衡。

異形柱結(jié)構(gòu)自身的特點決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結(jié)構(gòu)的不同。由于異形柱截面不對稱，在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)按照空間體系來考慮異形柱結(jié)構(gòu)，優(yōu)先采用具有異形柱單元的計算程序來分析內(nèi)力。因異形柱和剪力墻受力不同，所以不能按剪力墻的建模來計算異形柱。作為異形柱延性的保證措施，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須在計算過程中嚴格控制軸壓比，同時避免剪跨比小于2（短柱）或柱凈高與柱肢截面高度之比小于4，并且剪跨比在抗震設(shè)計時不應(yīng)小于1.5。針對剪跨比小于2的異形柱，軸壓比限值應(yīng)比大于2的異形柱相應(yīng)數(shù)值減少0.05；二三級抗震等級柱的箍筋體積配箍率不應(yīng)小于1.2%；當三四級抗震等級異形柱的剪跨比小于2時，箍筋間距不應(yīng)大于100mm，箍筋直徑不應(yīng)小于8mm，且全高加密。因此，采用異形截面柱的建筑在設(shè)計中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱，并在構(gòu)造上采取加強措施。

控制柱截面軸壓比的目的在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸與抵抗強度，以提高柱的變形能力和破壞延性，滿足抗震要求。根據(jù)異形柱的形狀、自身的受力性能和外部受力狀況，其軸壓比也會有所不同。在相同的抗震等級條件下，L形軸壓比限值最小，T形軸壓比較大，十字形軸壓比最大。

當然，異形柱也和其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有相同或相似的構(gòu)造要求，如異形柱、梁的縱向受力鋼筋的接頭可采用焊接、機械連接或綁扎搭接，接頭位置宜設(shè)在構(gòu)件受力較小處。在層高范圍內(nèi)，異形柱的每根縱向受力鋼筋接頭數(shù)不應(yīng)超過1個，它的縱向受力鋼筋在同一連接區(qū)段的接頭面積不應(yīng)大于50%，連接區(qū)段的長度應(yīng)按現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010的有關(guān)規(guī)定來確定。

三、異型柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的區(qū)別

建筑界所講的“異形柱”特點，是指截面肢薄，由此引起構(gòu)件的受力、變形、構(gòu)造做法、受力性能與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的一系列差異，其形式與短肢墻相似，但不能按短肢墻建模來計算。按照規(guī)定，異形柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻在定義上的區(qū)別主要表現(xiàn)在截面高寬比的不同，即矩形柱高寬比應(yīng)小于或等于3，且柱截面不宜小于250mm；異形柱截面幾何形狀為L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高與肢厚比小于4，肢厚小于300mm，但不應(yīng)小于200mm，肢高不小于500mm；短肢剪力墻是指墻肢高與墻肢的厚度比不小于4且不大于8的剪力墻結(jié)構(gòu)，常用的有T字形、L形、十字形、Z字形、折線形，它與普通剪力墻的區(qū)別在于普通剪力墻肢高與墻肢的厚度之比大于8。

異形柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的區(qū)別主要表現(xiàn)在受力變形、破壞形式不同。

（1）異形柱受力形式接近矩形框架柱，即剪切變形、雙向偏壓，計算時應(yīng)該按柱輸入。一字形柱截面（通常稱扁柱）兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風荷載、梁板荷載的作用下，還是在地震的作用下，結(jié)構(gòu)中的柱一般都要受到兩個方向的彎矩同時作用。由于截面厚度太單薄，它在雙向剪力作用下的性能也存在缺陷。由GB50011柱雙向受剪承載力計算公式可見，柱截面相鄰兩邊長相差越多，其斜向受剪承載力越低。因此，框架柱在截面最小寬度方面有限制，即不宜小于250mm，而異形柱與短肢墻、普通剪力墻均不宜采用一字形，特別是抗震結(jié)構(gòu)中。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)盡量少用和慎用柱截面寬度只能是200mm的一字形柱、截面高寬比不大于5的矩形柱，特別是抗震結(jié)構(gòu)中。如果必須采用這類異形柱，也只能使用局部小跨度、低層結(jié)構(gòu)高度低和受力狀況不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且還要采取更加嚴格的構(gòu)造措施，如加大配箍率、加密箍筋、加大箍筋截面、降低結(jié)構(gòu)柱限制軸壓比等。

（2）普通剪力墻受力變形是剪彎變形，計算時按墻輸入。短肢剪力墻變形接近于普通剪力墻。

（3）異形柱與矩形柱、短肢墻、普通剪力墻的延性也不相同，普通剪力墻最大，其次是短肢剪力墻，異形柱最小。所以，它們的適用范圍不同，構(gòu)造也不相同。

四、總結(jié)

異形柱其實是介于柱與剪力墻之間的一種構(gòu)件，它的產(chǎn)生和許多新生事物一樣，具有很強的生命力和競爭力，并且受到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。隨著國家行業(yè)標準《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的頒布，砼異形柱結(jié)構(gòu)將建筑美觀、使用功能的靈活性與建筑結(jié)構(gòu)合理的受力性能有機地結(jié)合起來，為用戶提供了理想的居住環(huán)境，受到了房地產(chǎn)開發(fā)商和廣大用戶的歡迎。由于它符合室內(nèi)布置的要求，且與墻體（指填充墻）連接效果良好，在我國許多省市的住宅建筑中廣泛應(yīng)用。但對異形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用尚處于初始階段，還沒有形成系統(tǒng)的理論研究，國家現(xiàn)行規(guī)范沒有對一些具體與異形柱混用的結(jié)構(gòu)作出明確的規(guī)定。如國家現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定異形柱結(jié)構(gòu)中不應(yīng)采用部分由砌體墻承重的混合結(jié)構(gòu)形式，但在實際應(yīng)用中，異形柱結(jié)構(gòu)的最頂層是可以采用砌體墻承重的混合結(jié)構(gòu)形式，但該砌體墻承重的混合結(jié)構(gòu)層應(yīng)按抗震要求設(shè)置構(gòu)造柱與圈梁，并且這種設(shè)計最頂層異形柱框架結(jié)構(gòu)受力與完全采用異形柱框架結(jié)構(gòu)受力形式是一樣的。根據(jù)建筑布置及結(jié)構(gòu)受力的需要，異形柱結(jié)構(gòu)中的框架柱可以全部采用異形柱，也可以部分采用普通的框架柱。當根據(jù)建筑功能需要設(shè)置底部大空間時，可以通過框架底部抽柱，并設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，形成底部抽柱帶轉(zhuǎn)換層的異形柱結(jié)構(gòu)。

總之，異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)有著較大的市場需求。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)其受力特點，提高異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論水平，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。并且只有正確掌握了計算機的分析方法，在確保其結(jié)構(gòu)合理與經(jīng)濟適用的前提條件下，保證其結(jié)構(gòu)的安全、可靠。運用計算機進行正確的結(jié)構(gòu)分析與截面配筋，規(guī)范與歸納已成體系的異形柱設(shè)計理論和實踐經(jīng)驗，并深入研究與推廣應(yīng)用，貫徹執(zhí)行國家技術(shù)經(jīng)濟政策，為混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在設(shè)計及施工中做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、確保質(zhì)量保駕護航。

（作者單位：江西省新聞出版職業(yè)技術(shù)學院后勤保障處）