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摘要：异形柱具有良好的承载、抗震、变形能力，在工程中应用较为广泛。笔者介绍了异形柱结构的概念、力学性能，总结出异形柱框架结构设计的常见问题及设计要点，对于同行具有一定的参考价值。
关键词：异形柱、异形柱框架结构、结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1异形柱结构
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。异形柱框架结构是指全部或部分柱截面为 L 形、T 形、十字形(以 L 形柱作角柱，T 形柱作边柱，十字形柱作中柱)，截面高与肢厚之比小于或等于 4 的框架结构(见图 1)。
2异形柱具有的性能
2.1 承载能力
异形柱是由多肢构成的，柱肢截面高度与其宽度之比在2.5～4 范围，墙肢平面内向刚度不同于外向刚度，两者相差较大，刚度也不同，因此，各向的承载能力也不相同。
2.2 抗震能力
异形柱框架结构的抗震等级，应根据建筑的结构类型、高度和地区的抗震设防烈度进行选择，而且要达计算要求及设计构造标准，设计规定：(1)三级抗震：抗震设防烈度为7 度且建筑高度＜22 m；(2)二级抗震：①抗震设防烈度为7 度且建筑高度≥22 m；②抗震设防烈度为 8 度且建筑高度≤25 m。一般来说，异形柱框架结构只适用的地区：抗震设防烈度≤7 度，建筑高度＜35 m。
2.3 变形能力
大多数建筑层高为 2.8～3.1 m，异形柱肢厚约为0.2 m，一般为了确保足够的承载力，异形柱肢长不能太小，否则会出现太小的柱剪跨比值，造成短柱现象，出现剪切变形，降低了构件的变形能力。假如异形柱的轴压比较小，但当柱壁构件太薄时，截面曲率就会较小，也会导致异形柱出现弯曲变形性，降低了异形柱的延性。
3异形柱框架结构设计的常见问题
3.1 结构计算方面
(1)进行柱的配筋计算时，单偏压、双偏压计算均适用于一般框架结构，但单偏压计算不适用于异形柱结构，因此，只能选用双偏压计算。
(2)两个主轴方向除了计算水平地震作用，还要验算抗震验算，此外，7 度与 8 度还要验算与主轴成 45°方向。
(3)柱框架结构扭转不规则时，根据《抗震》相关规定：建筑楼层竖向构件的最大水平位移与层间位移，对比该层两端弹性水平位移与层间位移之间的平均比值要小于 1.5，但对于异形柱结构此比值应小于 1.45。
(4)按照规定，建筑楼层承载力出现变换时，薄弱层地震剪力按照 1.15 倍系数增加，但异形柱结构应按照 1.2 倍系数增加，设计者应该注意此系数并进行调整。
3.2 截面方面
一般矩形结构，当其截面高宽之比值小于4且厚度小于300时，结构柱的受力性能就会下降，异形柱不适用，用于异形柱必须加强其结构设计。
3.3 配筋方面
一般来说，框架梁配筋的布置遵循梁宽同柱宽的方式，但是在梁与柱的节点位置，需要把梁的钢筋弯入柱的纵筋内侧，由于异形柱柱肢厚度不足，容易导致节点位置的钢筋间距过密，因此，框架梁配筋应结合异形柱的结构特点。
举例说明：当框架梁宽度为200 mm且柱纵筋直径为1.6 cm时，对于普通框架梁，其上部配置3根纵筋即可，假设梁纵筋直径为a，当在异形柱结构的梁上部配置3根纵筋时，便出现如下结果：2×30-2×16-3a-3×1.5a=200，那么a=14.4 mm，结果表明：在异形柱 200 mm 宽的梁上部按普通框架梁一样配置3 根纵筋时，其直径必须小于 14 mm，此值未考虑施工误差；假如只配置 3 根 14 mm 宽的钢筋，在实际工程中，现梁柱节点位置也可能出现钢筋过密的问题，所以，异形柱结构梁柱节点处的钢筋数应≤2 根。
3.4 梁柱节点剪承载力方面
对于异形柱框架结构，由于其柱肢厚度较小，异形柱结构梁柱节点核心区的受剪承载力会小于普通框架结构的受剪承载力，造成异形柱梁柱節点核心区的受剪承载力出现超限情况，所以，进行异形柱结构设计时，应通过提高混凝土强度等级等方法解决此问题。
3.5 柱距的影响
影响异形柱柱距的因素包括有建筑使用功能、层数因素、结构自重等。应确保建筑功能同时，使柱距轴压比控制在施工规定的范围内，当柱距太大时，会导致梁高太高，容易出现柱的净高太小，便形成短柱或极短柱问题，影响抗震性能。
4异型柱框架结构的设计要点
4.1 异形柱框架结构布置
(1)框架结构扭转肯定会带来不利影响，因此，设计时结构平面要对称，平面与刚度尽量做到一致，柱上两个主轴方向的布置要协调对称，否则要充分分析扭转对结构受力的影响。
(2)异形柱框架结构应该进行双向设置，对齐框架柱，拉通框架梁，纵横框架梁不要相互支撑，确保结构空间受力，保证结构的承载力、刚度、抗震性及稳固度，形成良好的统一整体。
(3)不要出现错层，这样能有效预防建筑楼层出现竖向的刚度突变，而且竖向的体型规则布置。
(4)对于个别部位，其受力较为复杂的，应改为选用一般框架柱。
4.2最大适用的高度与高宽
异形柱框架结构最大适用高度与宽度：
(1)抗震设防烈度为6度(0.05 g)时，最高为24 m，高宽比应＜4；
(2)抗震设防烈度为7度(0.10 g)时，高度要求＜35 m，层数＜12层，高宽比应＜5；
(3)抗震设防烈度为8度(0.20 g)时，高度＜25 m以，高宽比应＜4；
(4)柱净高与截面长边之比应＞4且＜8。因为比4 小容易出现脆性剪切破坏现象，而比 8 大则会框架会失稳。
4.3 明确抗震等级
异形柱框架结构对抗震性能有严格的要求，抗震等级高低的确定，影响着计算、结构延性及其变形能力，通过抗震等级制定相关必要措施。抗震等级的确定由当地的抗震设防烈度、结构类型及其高度来决定。异形柱框架结构的延性比矩形柱框架的要低，所以，异形柱框架结构的抗震等级相对较高。
4.4 异形柱结构的计算
异形柱结构的截面尺寸除了考虑主要的轴压比外，也要综合考虑其他相关影响因素。异形柱结构设计其计算内容主要有：计算截面承载力；计算结构的延性及其刚度；计算结构的抗震性能等。异形柱的两种计算方法：
(1)在异形柱框架结构规范中规定，当异形柱断面剪力墙的墙肢长与墙肢宽之比＜4 时，应配筋应按柱进行计算。例如墙宽为220 cm，则 4×20=80 cm，也就是说，当墙肢长＜80 cm 时，可以按框架柱计算钢筋混凝土墙(但面不按剪力墙对待)。目前，我国计算异形柱的电算程序主要有两种：①中国建科院的空间分析程序 TBSA 和 TAT；②广厦新开发的 GSCAD 结构计算。目前广厦的 GSCAD 软件被应用的不多，大多数设计单位把异形柱作为剪力墙输入，计算后再根据结果进行异形柱配筋。
(2)可以先假设异形柱的断面尺寸，再根据异形柱的面积和惯性矩等量的原则，计算为矩形断面 B×H，然后再按照矩形柱计算整个结构的配筋，最后再把按矩形柱计算的结果转换成异形柱结构的配筋。
5结语
异形柱框架结构在建筑市场的发展需求中被广泛应用，发展前景广阔，对于抗震设防烈度小于7度的地区，属于一种安全、经济的结构选择方案，但是异形柱框架结构也存在一定的劣势，因此，进行异形柱框架结构设计时，要按照设计规范的要求，并充分了解异形柱的受力特点及其破坏机理，选用最优化合理的结构布置，有效优化结构构造，利用合适的计算程序分析方法，这样才能保证建筑结构安全、稳固，取得最大经济效益。
参考文献：
[1]高振梅,王卫国.框架结构异形柱设计探讨[J].山西建筑,2009(23).
[2]刘明泉,胡耀东.异形柱框架地震反应分析[J].河北工业大学学报,2010(6).
关键词：异形柱、异形柱框架结构、结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1异形柱结构
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。异形柱框架结构是指全部或部分柱截面为 L 形、T 形、十字形(以 L 形柱作角柱，T 形柱作边柱，十字形柱作中柱)，截面高与肢厚之比小于或等于 4 的框架结构(见图 1)。
2异形柱具有的性能
2.1 承载能力
异形柱是由多肢构成的，柱肢截面高度与其宽度之比在2.5～4 范围，墙肢平面内向刚度不同于外向刚度，两者相差较大，刚度也不同，因此，各向的承载能力也不相同。
2.2 抗震能力
异形柱框架结构的抗震等级，应根据建筑的结构类型、高度和地区的抗震设防烈度进行选择，而且要达计算要求及设计构造标准，设计规定：(1)三级抗震：抗震设防烈度为7 度且建筑高度＜22 m；(2)二级抗震：①抗震设防烈度为7 度且建筑高度≥22 m；②抗震设防烈度为 8 度且建筑高度≤25 m。一般来说，异形柱框架结构只适用的地区：抗震设防烈度≤7 度，建筑高度＜35 m。
2.3 变形能力
大多数建筑层高为 2.8～3.1 m，异形柱肢厚约为0.2 m，一般为了确保足够的承载力，异形柱肢长不能太小，否则会出现太小的柱剪跨比值，造成短柱现象，出现剪切变形，降低了构件的变形能力。假如异形柱的轴压比较小，但当柱壁构件太薄时，截面曲率就会较小，也会导致异形柱出现弯曲变形性，降低了异形柱的延性。
3异形柱框架结构设计的常见问题
3.1 结构计算方面
(1)进行柱的配筋计算时，单偏压、双偏压计算均适用于一般框架结构，但单偏压计算不适用于异形柱结构，因此，只能选用双偏压计算。
(2)两个主轴方向除了计算水平地震作用，还要验算抗震验算，此外，7 度与 8 度还要验算与主轴成 45°方向。
(3)柱框架结构扭转不规则时，根据《抗震》相关规定：建筑楼层竖向构件的最大水平位移与层间位移，对比该层两端弹性水平位移与层间位移之间的平均比值要小于 1.5，但对于异形柱结构此比值应小于 1.45。
(4)按照规定，建筑楼层承载力出现变换时，薄弱层地震剪力按照 1.15 倍系数增加，但异形柱结构应按照 1.2 倍系数增加，设计者应该注意此系数并进行调整。
3.2 截面方面
一般矩形结构，当其截面高宽之比值小于4且厚度小于300时，结构柱的受力性能就会下降，异形柱不适用，用于异形柱必须加强其结构设计。
3.3 配筋方面
一般来说，框架梁配筋的布置遵循梁宽同柱宽的方式，但是在梁与柱的节点位置，需要把梁的钢筋弯入柱的纵筋内侧，由于异形柱柱肢厚度不足，容易导致节点位置的钢筋间距过密，因此，框架梁配筋应结合异形柱的结构特点。
举例说明：当框架梁宽度为200 mm且柱纵筋直径为1.6 cm时，对于普通框架梁，其上部配置3根纵筋即可，假设梁纵筋直径为a，当在异形柱结构的梁上部配置3根纵筋时，便出现如下结果：2×30-2×16-3a-3×1.5a=200，那么a=14.4 mm，结果表明：在异形柱 200 mm 宽的梁上部按普通框架梁一样配置3 根纵筋时，其直径必须小于 14 mm，此值未考虑施工误差；假如只配置 3 根 14 mm 宽的钢筋，在实际工程中，现梁柱节点位置也可能出现钢筋过密的问题，所以，异形柱结构梁柱节点处的钢筋数应≤2 根。
3.4 梁柱节点剪承载力方面
对于异形柱框架结构，由于其柱肢厚度较小，异形柱结构梁柱节点核心区的受剪承载力会小于普通框架结构的受剪承载力，造成异形柱梁柱節点核心区的受剪承载力出现超限情况，所以，进行异形柱结构设计时，应通过提高混凝土强度等级等方法解决此问题。
3.5 柱距的影响
影响异形柱柱距的因素包括有建筑使用功能、层数因素、结构自重等。应确保建筑功能同时，使柱距轴压比控制在施工规定的范围内，当柱距太大时，会导致梁高太高，容易出现柱的净高太小，便形成短柱或极短柱问题，影响抗震性能。
4异型柱框架结构的设计要点
4.1 异形柱框架结构布置
(1)框架结构扭转肯定会带来不利影响，因此，设计时结构平面要对称，平面与刚度尽量做到一致，柱上两个主轴方向的布置要协调对称，否则要充分分析扭转对结构受力的影响。
(2)异形柱框架结构应该进行双向设置，对齐框架柱，拉通框架梁，纵横框架梁不要相互支撑，确保结构空间受力，保证结构的承载力、刚度、抗震性及稳固度，形成良好的统一整体。
(3)不要出现错层，这样能有效预防建筑楼层出现竖向的刚度突变，而且竖向的体型规则布置。
(4)对于个别部位，其受力较为复杂的，应改为选用一般框架柱。
4.2最大适用的高度与高宽
异形柱框架结构最大适用高度与宽度：
(1)抗震设防烈度为6度(0.05 g)时，最高为24 m，高宽比应＜4；
(2)抗震设防烈度为7度(0.10 g)时，高度要求＜35 m，层数＜12层，高宽比应＜5；
(3)抗震设防烈度为8度(0.20 g)时，高度＜25 m以，高宽比应＜4；
(4)柱净高与截面长边之比应＞4且＜8。因为比4 小容易出现脆性剪切破坏现象，而比 8 大则会框架会失稳。
4.3 明确抗震等级
异形柱框架结构对抗震性能有严格的要求，抗震等级高低的确定，影响着计算、结构延性及其变形能力，通过抗震等级制定相关必要措施。抗震等级的确定由当地的抗震设防烈度、结构类型及其高度来决定。异形柱框架结构的延性比矩形柱框架的要低，所以，异形柱框架结构的抗震等级相对较高。
4.4 异形柱结构的计算
异形柱结构的截面尺寸除了考虑主要的轴压比外，也要综合考虑其他相关影响因素。异形柱结构设计其计算内容主要有：计算截面承载力；计算结构的延性及其刚度；计算结构的抗震性能等。异形柱的两种计算方法：
(1)在异形柱框架结构规范中规定，当异形柱断面剪力墙的墙肢长与墙肢宽之比＜4 时，应配筋应按柱进行计算。例如墙宽为220 cm，则 4×20=80 cm，也就是说，当墙肢长＜80 cm 时，可以按框架柱计算钢筋混凝土墙(但面不按剪力墙对待)。目前，我国计算异形柱的电算程序主要有两种：①中国建科院的空间分析程序 TBSA 和 TAT；②广厦新开发的 GSCAD 结构计算。目前广厦的 GSCAD 软件被应用的不多，大多数设计单位把异形柱作为剪力墙输入，计算后再根据结果进行异形柱配筋。
(2)可以先假设异形柱的断面尺寸，再根据异形柱的面积和惯性矩等量的原则，计算为矩形断面 B×H，然后再按照矩形柱计算整个结构的配筋，最后再把按矩形柱计算的结果转换成异形柱结构的配筋。
5结语
异形柱框架结构在建筑市场的发展需求中被广泛应用，发展前景广阔，对于抗震设防烈度小于7度的地区，属于一种安全、经济的结构选择方案，但是异形柱框架结构也存在一定的劣势，因此，进行异形柱框架结构设计时，要按照设计规范的要求，并充分了解异形柱的受力特点及其破坏机理，选用最优化合理的结构布置，有效优化结构构造，利用合适的计算程序分析方法，这样才能保证建筑结构安全、稳固，取得最大经济效益。
参考文献：
[1]高振梅,王卫国.框架结构异形柱设计探讨[J].山西建筑,2009(23).
[2]刘明泉,胡耀东.异形柱框架地震反应分析[J].河北工业大学学报,2010(6).