李雅杰

1.異形柱的定義

《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》JGJ140-2006中異形柱指截面幾何形狀為L、T、+形且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。相對于正方形和矩形柱而言是異型的柱子。異形柱肢厚一般為200、250mm。其形式與短墻肢相似，若肢較長就稱短墻肢。

2.異形柱結構體系

異形柱結構體系是指采用輕質填充墻及隔墻的現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架-剪力墻結構體系。

3.異形柱結構特點

（1）由于截面的這種特殊性，使得墻肢平面內外兩個方向剛度對比相差較大，導致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。

（2）對于長柱（H/h>4）可以不考慮剪切變形的影響，控制軸壓比較小時，受力明確，變形能力較好。而對短柱（H/h<4），剪切變形占有相當比例，構件變形能力下降。異形柱通常在短柱范圍，且屬薄壁構件，即使發(fā)生延性的彎曲形破壞，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu為砼的極限壓應變，χ為截面受壓區(qū)高度）較小，使彎曲變形性能有限，延性較差。

（3）異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范圍之外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(xié)調變形和內力，這種變形協(xié)調使各柱肢內存在相當大的翹曲應力和剪應力，而該剪應力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯。

（4）特別是異形柱不同于矩形柱，它存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性更差。大量的試驗資料和理論分析指出，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。

4.異形柱結構適用條件和應用意義

4.2應用意義

鋼筋混凝土異形柱結構將建筑美觀、使用功能的靈活性與建筑結構合理的受力性能有機地結合起來，為用戶提供了理想的居住環(huán)境，受到房地產(chǎn)開發(fā)商和廣大用戶的歡迎，由于其符合室內布置的要求，且與墻體（指填充墻）連接良好，在我國許多省市的住宅建筑已有廣泛的實際應用。異形柱結構屬于框架-輕墻（填充墻、隔墻）結構體系，采用輕質高效的墻體材料，不僅改善建筑的保溫、隔熱性能，節(jié)約能源消耗，而且減輕結構自重，減小地震作用，其綜合效益值得重視。

5.異形柱結構的平面布置

（1）在異形柱結構的一個獨立結構單元內，宜使結構平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。

（2）結構平面布置應減小扭轉效應的不利影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移分別不宜大于該樓層兩端相應平均值的1.2倍，不應大于該樓層兩端相應平均值的1.4倍。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.85。

7.異形柱結構應按下列原則考慮地震作用

8.采用的地震作用計算方法

異形柱結構地震作用計算宜采用振型分解反應譜法，平面不規(guī)則結構的扭轉影響顯著，應采用扭轉耦聯(lián)振型分解反應譜法。

9.自振周期折減

框架結構中由于非承重填充墻體的存在，會增大結構整體剛度，減小結構自振周期，從而產(chǎn)生增大結構地震作用的影響。所以計算各振型地震影響系數(shù)所采用的結構自振周期時應考慮非承重填充墻體對結構整體剛度的影響予以折減。折減系數(shù)ψ應根據(jù)采用的輕質填充墻數(shù)量的多少可取0.6～0.85。

10.節(jié)點核心區(qū)

異形柱框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力低于截面面積相同的矩形柱框架梁柱節(jié)點的受剪承載力，是異形柱框架的薄弱環(huán)節(jié)。為確保安全，對抗震設計的二、三、四級抗震等級柱節(jié)點核心區(qū)以及非抗震設計的梁柱節(jié)點核心區(qū)，均應進行受剪承載力計算。在設計中，尚可采取各類有效措施，包括例如梁端增設支托或水平加腋等構造措施，以提高或改善梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪性能。對于縱橫向框架共同交匯的節(jié)點，可以按各自方向分別進行節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算。

11.異形柱結構構造做法

（1）異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應大于4?？紤]到節(jié)點核心區(qū)鋼筋設置及剛進的錨固，所以肢厚不應小于200mm（也不應大于300mm），肢高不應小于500mm。 抗震設計時宜采用等肢異形柱。

（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）Lb確定（Lb為計算跨度），且不應小于400mm.梁的截面寬度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。梁的截面高度太小會使柱縱向鋼筋在節(jié)點核心區(qū)錨固長度不足。

（3）異形柱的混凝土強度等級不小于C25和不大于C50，這是由于異形柱截面尺寸薄，混凝土強度等級小于C25，可能達不到其與鋼筋之間保證粘結的要求。強度等級高于C50時的異形柱構件及結構科學研究 相對較少，所以規(guī)程未列入。

（4）異形柱截面尺寸較小，為方便施工時鋼筋的布置及混凝土澆筑，宜優(yōu)先采用焊接。

（5）異形柱截面上受力縱筋的位置如下圖所示。試驗和模擬計算表明這些位置上的縱筋均發(fā)揮大的作用，特別是當軸壓較大時處于各肢內折角處的縱筋的作用不容忽視，一定要作為受力筋處理。

12.異形柱結構設計時應注意的問題

12.1異形框架的計算

由于其截面的特殊性，在柱截面對稱軸內受水平力作用時，彈性分析計算其翹曲應力很小，此時如同承受水平力的偏壓構件，仍可按平截面假定分析，按砼設計規(guī)范計算，特別是在框架——剪力墻結構中，對6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類場地，框架柱只承擔水平風載的一小部分，如按一般偏壓柱計算，誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大，且水平力作用在非主軸方向，則翹曲應力不容忽視，按平截面假定誤差較大，則應對異形柱框架結構進行有限元分析，決定內力和配筋位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時，宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件?，F(xiàn)在有一些軟件沒有異形柱截面形式，如要用它進行計算，要先進行等剛度等面積換算成矩形柱，進行整體分析，得到雙向內力后再進行異形柱的截面設計，其工作量相當大，且截面設計的可靠性不高。目前，國內可直接進行異形柱截面內力計算和截面設計的軟件有建研院的TAT、SATWE程序，廣東省建院的SS、SSW程序以及天津大學的鋼筋砼異形柱結構配筋計算程序CRSC。這些程序均用數(shù)值積分法進行正截面配筋設計，準確性較高，經(jīng)過大量工程校算，能有效地滿足結構安全性要求。

12.2軸壓比控制

對框架結構，框-剪結構，柱的延性對于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起著十分重要的作用，且軸壓比又是影響砼柱延性的一個關鍵指標。由有關試驗結構分析，柱的側移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降。在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱的延性作用已很小，因而軸壓比大小的控制對柱的延性影響至關重要，特別是異形柱結構剪力中心與截面形心不重合，剪應力使砼柱肢先于普通矩形壓剪構件出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生腹剪破壞，加上異形柱多屬短柱，這些導致異形柱脆性明顯，使異形柱的延性普遍低于矩形柱，因而對異形柱的軸壓比要嚴格控制。

在《混凝土異形柱結構技術規(guī)程》中，分別給出了框架結構、框架-剪力墻結構不同截面形式下軸壓比限值要求。由天津大學土木系對異形柱延性資料可知，影響異形柱延性的因素比普通柱要復雜，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平側移下，其延性性能也有較大差異。為在實際工作中便于使用，可按不同的截面形式（L、T、十字型）與不同的抗震等級兩項指標從嚴控制，對低烈度地區(qū)的這類結構是能夠滿足其延性要求的。

12.3截面定義輸入

異形柱截面有T形、十形、L形，對一字形、Z字形規(guī)程未列入應用，在PMCAD截面定義中輸入T形按2截面工形輸入，不用的地方輸0；十形按6截面十形輸入（該正正該負負）；L形用5截面槽鋼形輸入（定義某肢長為0）。其寬均為240，肢長為600。輸入軸線節(jié)點處應注意偏心（以豎向肢中點來定位）材料應定為砼。為減少輸入偏心轉角的麻煩，在定義時要多定幾個不同的截面類型。

12.4配筋計算

采用雙偏壓、拉計算，（角柱程序在編制過程中就默認采用雙偏壓來計算，即使你在選擇系數(shù)時選的單偏壓計算模式，程序仍然按照雙偏壓計算）箍筋采用雙剪箍。異形柱肢長與肢寬比≤4時（梁的剛度計算跨度以柱形心為準，這時在‘參數(shù)修正菜單中選擇不考慮梁柱重疊影響，即不考慮梁的剛域），否則應考慮梁的剛域（梁的剛度計算跨度以柱凈跨為準，這樣梁的剛度計算長度就短，剛度就大）。這時梁柱重疊部分，按剛域參數(shù)考慮。

12.5配筋構造

在正確的結構選型及計算后，截面內鋼筋的構造也是保證異形柱受力性能的重要因素。由于異形柱截面的特點，柱肢端部會出現(xiàn)較大應力，加上梁作用于柱肢上應力的不均勻，一般越靠肢端應力越大，對柱肢形成偏心壓力，進一步加大肢端壓應力。因而在異形柱配筋時，應在肢端設暗柱，暗柱的外排鋼筋由計算而定。離端部厚度范圍內設2Ф14的構造縱筋，箍筋同柱，這樣可限制柱肢的砼裂縫的開展，提高異形柱局部抗壓抗剪強度及變形能力。柱上的箍筋不僅能抗剪，也可約束砼變形，增大其延性。異形柱由于不易形成多肢復合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直徑和加密間距來實現(xiàn)。相同配箍率下，箍筋直徑大，其延性指標好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其間距可比普通柱箍筋間距小。

12.6扁平柱的使用

在異形柱結構中使用扁平柱是可以的，建議最小厚度取250，梁縱筋用3級鋼，直徑不超過12。各項驗算同普通框架柱，構造和軸壓比建議控制更嚴格一些。因“一”形異形柱不提倡用，在許多工程上還不得不用，沒辦法可用扁平柱，其計算按矩形柱方法計算。

12.7程序的應用

PKPM系統(tǒng)實現(xiàn)了異形柱的布置、計算、施工圖設計。在異形柱布置時應注意偏心，轉角的應用；在TAT或SATWE計算時，要了解異形柱的剛度計算（注意應考慮剪應力不均勻分布的影響系數(shù)，一般矩形柱為1.2，異形柱采用分塊積分法在TAT數(shù)據(jù)檢查時統(tǒng)一完成）、剛域計算、整體內力到柱肢內力的分配計算，尤其是軸力的分配計算問題、以及異形柱配筋計算；在繪施工圖時，要了解異形柱的構造要求，角點筋的配置，架立分布筋的設置等。 [科]