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【摘 要】 混凝土异形柱结构由于能够大大减少在建筑中突出的棱角，节约建筑空间等优点在多层建筑尤其是多层住宅中得到了越来越广泛的应用。与矩形柱和圆形柱相比，异形柱截面特性的不同导致其在内力及变形特性、抗震性能等方面也有显著地差异。本文将对异形柱结构的设计予以探讨。
【关键词】 异形柱，受力特点，设计方法
一、概述
钢筋混凝土异形柱，是指截面形式除矩形、圆形以外的柱，且柱肢的肢高肢厚比不大于4，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型等，异形柱结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架-剪力墙结构体系。异形柱结构体系用适中的刚度配合轻质填充墙的使用，对减少地震作用很有利，是一种经济合理的抗震结构体系。
二、异形柱受力性能特点
1、异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，对于偏压构件，矩形截面的受压区总是矩形，内力臂较大；而对异形柱，受压区图形通常比较复杂，可能为二边形，也可能为多边形。对于受压区呈多边形分布的截面，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过陕，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
2、异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。
3、异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视，因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析，pkpm、gscad、tbsa等国产结构软件均可做异形柱框架结构计算。
但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战。而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还没有完全建立起来，这就给异形柱设计带来一定的难度，必须在概念设计上予以加强。
三、异形柱结构布置
1、平面布置
（1）平面布置宜对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；
（2）考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接；
（3）各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则、多跨的抗侧力体系。异形柱设计的目的主要是合理解决小面积房屋的使用问题，应重点布置在房屋中影响房屋使用的墙角部位，其他部位从受力合理和施工方便方面考虑宜使用矩形柱。
2、竖向布置
（1）结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。
（2）异形柱结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的75%，或其上相邻三层刚度平均值的85%。
（3）楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的85%，不应小于其上一层受剪承载力的70%。
（4）异形柱框架不应采用楼层错层的设计方案。
（5）异形柱不宜在楼层半层处单面设置挑梁。
3、构件尺寸
（1）柱肢宽度，一般取与墙体相同的厚度（如200mm），不低于180mm和不超过250mm。若肢宽偏低会造成施工困难，偏高则导致柱体笨拙且不经济，也可能造成短柱或剪跨比超限。
（2）肢长根据2≤肢厚比≤4的控制指标进行确定，且肢长不宜超过600mm（考虑角柱扭转明显，肢长应取高值，且箍筋全长加密）。此外，异形柱剪跨比也要控制在2～4范围内控制肢长或肢厚比的目的在于：当异形柱肢长增大时，柱刚度增大，受震害越大，因而对结构受力性能不利。
四、设计方法
1、在PKPM系列软件中，由PMCAD模块可解决异形柱的定位和荷载导入，由TAT和SATWE模块可以完成整个体系的结构计算和配筋计算，在定义L、T、+字形柱时，应用里面的“十字形”截面定义，并且应把截面相同而转角不同的柱定义成几个不同的截面，不宜采用转角的方式；由于异形柱的柱肢较长，梁柱重叠部分大，在计算时应选择“梁柱重叠部分作为刚域”；建议采用双向偏心受压、双向偏心受拉、正截面承载力计算。
2、在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用，而对于异形柱框架结构，由于侧向刚度较小，有时侧移会超出规范允许值；
3、对柱的净高与柱截面长边尺寸之比小于4的异形柱，应沿柱高全高加密箍筋，以减少地震作用下柱剪切脆性破坏的危险性和改善柱的变形性能；
4、对抗震等级三级及三级以上的结构，应对节点进行计算，以保证节点区的可靠性；
五、构造及配筋
1、按照规范及实践经验来看，柱肢的厚度最小不小于160mm，一般常用200mm比较合理。对于8层及以上框架其下面两层梁柱节点处的钢筋有时显得比较密集，因此不宜减薄。在梁跨度较大时，柱子往往显得截面不足，轴压比太大，钢筋过分密集。因此最好把一二层砼标高提高到C30以上，避免采用加大壁厚的方案。
2、在选用纵向受力钢筋时，数量宜少，直径宜大，一般只要不大于Φ25均应选较大的直径减少根数，而每边钢筋的数量宜用2根，多则做两排设置。底层每边钢筋的数量也可以用3根，但穿出楼面的柱筋每边单排配筋还是不要多于2根为宜，否则节点施工困难。
3、纵向构造钢筋在柱肢宽较大时应该设置，以保证纵向钢筋间距不大于350mm的规范要求，因为异形柱的纵向构造钢筋比较多，因此其直径的选取也是影响经济技术指标的一项因素，根据我国钢筋砼设计规范和国外有关资料以及有关剪力墙的构造规定，取Φ12、Φ14还是比较合理的，不必选用更粗的钢筋。
4、按照我國抗震设计规范中规定，箍筋的设置最小直径可以选用Φ6，加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1/6和500mm的最大值，在加密区的间距为100。
结束语：目前民用建筑的市场需求是朝着大开间、大空间方向发展，给异形柱结构体系带来广泛应用的前景，相关的结构计算理论也得到不断的累积和发展，作为设计人员，需要我们善于思考、勤于总结，利用正确的概念进行设计，使异形柱结构体系逐渐地得到发展、推广和应用。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）
[2] 异形柱结构设计与施工/沈蒲生编著.-北京：机械工业出版社.2010.01
【关键词】 异形柱，受力特点，设计方法
一、概述
钢筋混凝土异形柱，是指截面形式除矩形、圆形以外的柱，且柱肢的肢高肢厚比不大于4，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型等，异形柱结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架-剪力墙结构体系。异形柱结构体系用适中的刚度配合轻质填充墙的使用，对减少地震作用很有利，是一种经济合理的抗震结构体系。
二、异形柱受力性能特点
1、异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，对于偏压构件，矩形截面的受压区总是矩形，内力臂较大；而对异形柱，受压区图形通常比较复杂，可能为二边形，也可能为多边形。对于受压区呈多边形分布的截面，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过陕，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
2、异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下各肢将产生翘曲正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。
3、异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视，因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析，pkpm、gscad、tbsa等国产结构软件均可做异形柱框架结构计算。
但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战。而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还没有完全建立起来，这就给异形柱设计带来一定的难度，必须在概念设计上予以加强。
三、异形柱结构布置
1、平面布置
（1）平面布置宜对称，两个主轴方向要协调，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减少偏心距，尽量减少因扭转产生的不利影响；
（2）考虑采用双向承重体系，并纵横向相连接；
（3）各柱肢应尽量对齐，使柱肢与梁一起构成较规则、多跨的抗侧力体系。异形柱设计的目的主要是合理解决小面积房屋的使用问题，应重点布置在房屋中影响房屋使用的墙角部位，其他部位从受力合理和施工方便方面考虑宜使用矩形柱。
2、竖向布置
（1）结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。
（2）异形柱结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的75%，或其上相邻三层刚度平均值的85%。
（3）楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的85%，不应小于其上一层受剪承载力的70%。
（4）异形柱框架不应采用楼层错层的设计方案。
（5）异形柱不宜在楼层半层处单面设置挑梁。
3、构件尺寸
（1）柱肢宽度，一般取与墙体相同的厚度（如200mm），不低于180mm和不超过250mm。若肢宽偏低会造成施工困难，偏高则导致柱体笨拙且不经济，也可能造成短柱或剪跨比超限。
（2）肢长根据2≤肢厚比≤4的控制指标进行确定，且肢长不宜超过600mm（考虑角柱扭转明显，肢长应取高值，且箍筋全长加密）。此外，异形柱剪跨比也要控制在2～4范围内控制肢长或肢厚比的目的在于：当异形柱肢长增大时，柱刚度增大，受震害越大，因而对结构受力性能不利。
四、设计方法
1、在PKPM系列软件中，由PMCAD模块可解决异形柱的定位和荷载导入，由TAT和SATWE模块可以完成整个体系的结构计算和配筋计算，在定义L、T、+字形柱时，应用里面的“十字形”截面定义，并且应把截面相同而转角不同的柱定义成几个不同的截面，不宜采用转角的方式；由于异形柱的柱肢较长，梁柱重叠部分大，在计算时应选择“梁柱重叠部分作为刚域”；建议采用双向偏心受压、双向偏心受拉、正截面承载力计算。
2、在一般的矩形柱的多层框架结构中侧移多不起控制作用，而对于异形柱框架结构，由于侧向刚度较小，有时侧移会超出规范允许值；
3、对柱的净高与柱截面长边尺寸之比小于4的异形柱，应沿柱高全高加密箍筋，以减少地震作用下柱剪切脆性破坏的危险性和改善柱的变形性能；
4、对抗震等级三级及三级以上的结构，应对节点进行计算，以保证节点区的可靠性；
五、构造及配筋
1、按照规范及实践经验来看，柱肢的厚度最小不小于160mm，一般常用200mm比较合理。对于8层及以上框架其下面两层梁柱节点处的钢筋有时显得比较密集，因此不宜减薄。在梁跨度较大时，柱子往往显得截面不足，轴压比太大，钢筋过分密集。因此最好把一二层砼标高提高到C30以上，避免采用加大壁厚的方案。
2、在选用纵向受力钢筋时，数量宜少，直径宜大，一般只要不大于Φ25均应选较大的直径减少根数，而每边钢筋的数量宜用2根，多则做两排设置。底层每边钢筋的数量也可以用3根，但穿出楼面的柱筋每边单排配筋还是不要多于2根为宜，否则节点施工困难。
3、纵向构造钢筋在柱肢宽较大时应该设置，以保证纵向钢筋间距不大于350mm的规范要求，因为异形柱的纵向构造钢筋比较多，因此其直径的选取也是影响经济技术指标的一项因素，根据我国钢筋砼设计规范和国外有关资料以及有关剪力墙的构造规定，取Φ12、Φ14还是比较合理的，不必选用更粗的钢筋。
4、按照我國抗震设计规范中规定，箍筋的设置最小直径可以选用Φ6，加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1/6和500mm的最大值，在加密区的间距为100。
结束语：目前民用建筑的市场需求是朝着大开间、大空间方向发展，给异形柱结构体系带来广泛应用的前景，相关的结构计算理论也得到不断的累积和发展，作为设计人员，需要我们善于思考、勤于总结，利用正确的概念进行设计，使异形柱结构体系逐渐地得到发展、推广和应用。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）
[2] 异形柱结构设计与施工/沈蒲生编著.-北京：机械工业出版社.2010.01