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摘 要:本文分析了异形柱框架与矩形柱框架的结构在设计上的区别，并且就异形柱框架结构设计上的某些问题结合工程实例进行探讨，在此提出些许建议与同行交流。
关键词:多层建筑；异形柱的计算；结构设计；梁柱节点
Abstract:This paper analyzes the special-shaped column frame with rectangle columns frame structure in the design of the difference, and the design of special-shaped column frame structure on certain issues in combination with the engineering example to carry on the discussion, proposed some suggestion and peer exchange.
Key words:Multilayer building Special shaped column calculationStructure design Beam column joints
中图分类号：TU972+.9 文献标识码：A文章编号：
现如今，人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高 ，跟随着对建筑设计布局也有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔会直接影响到室内家具的布置及空间的使用，故越来越不能被房屋使用者所接纳。有一种全新的结构体系为异形柱框架结构，它能解决普通矩形柱框架结构在房间内露柱造成的使用上不便的问题，其使用面积将会相应增加，同时也可解决砖混结构超高和大开间要求存在的技术问题,故被大多建筑师推广并应用。
1异形柱结构特点
1.1“一”形截面柱及“Z”形截面柱
在《规范》中未采用“一”形截面柱及“Z”形截面柱。 “一”形柱正截面承載力方面两主轴方向抗弯能力相差甚大，不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是受到两个方向的弯矩同时作用，其受力后果可想而知；同时“一”形柱在双向剪力作用下性能也不好，由《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)柱双向受剪承载力计算公式可知，柱截面相邻两边边长相差越多,其斜向受剪承载力越低 。“Z”形截面柱与“一”形截面柱类似，即两主轴方向抗弯能力相差甚大。
在工程设计中应避免采用“一”字形截面柱，可采用部分普通矩形截面柱代替。而对于工程中经常遇到需要做“Z”形柱的情况，在设计计算时较好的方法是在PMCAD 输入时将其按两个“L”形柱来输入并进行内力及配筋计算。因为“Z”形柱受力较大时易在中间肢劈开，劈开后（极限状态）其受力接近于两个“L”形柱，按两个“L”形柱处理较为合理。
1.2 异形柱各肢肢长
异形柱各肢肢长，可能相等 ，或不相等 ，但是提倡采用等肢异形柱。 抗震设计时宜采用等肢异形柱，当不得不采用不等肢异形柱时,柱两肢的肢高比不宜超过 1.6,大于 50 mm。为编制江苏省地方标准(DB32/512-2002)东南大学进行的肢高不等的试件双向受剪试验表明,当异形截面柱两肢肢高相近时，其受剪承载力亦大致服从梅花瓣形规律，但当两肢肢高相差较大时，则服从椭圆规律。 因此，具有一定的翼缘也是保证异形柱抵御斜向受剪破坏能力的需要。
1.3 异形柱截面的肢高肢厚比
在《规范》中指出异形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4。 研究表明，即使是同一种异型截面柱，当柱截面肢高肢厚比不同时，柱的性能会出现不同的差异，若异形柱截面各肢的肢高肢厚比控制在不大于4 的范围,则异形柱在偏心受压状态下的应变基本符合平截面假定,其力学性能符合柱的特性。需要指出的是，当截面肢高肢厚比在5~8 范围时，根据现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)的有关规定，此时应划分为短肢剪力墙进行设计。
2异形柱计算
受力性能、抗震性能与矩形柱结构的不同是由异形柱结构自身的特点决定的。由于异形柱截面不对称，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。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。当采用不具有异形柱单元的空间分析程序（如TBSA 5.0）计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。一般，比值（A矩／A异）约在1.10-1.30之间。因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值（A矩／A异）对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。 3异形柱设计
3.1 纵筋的布置
对“L”形、“T”形和“十”字形截面双向偏心受压柱截面上的应变及应力分析表明：在不同的弯矩作用方向角时，截面任一肢端部的钢筋均可能受力最大,为适应弯矩作用方向角的任意性，纵向受力钢筋宜采用相同直径;当轴压比较大 ，受压破坏时，在诸多弯矩作用方向角情形，内折角处钢筋的压应变可达到甚至超过屈服应变，受力也很大，同时还考虑此处应力集中的不利影响,所以内折角处也应设置相同直径的纵向受力钢筋。
异形柱肢厚有限,当纵向受力钢筋直径太大 （d>25 mm），会造成粘结强度不足及节点核心区钢筋的设置的困难。当纵向受力钢筋直径太小时（d<14 mm），在相同的箍筋间距s下，由于s/d 增大，使柱延性下降，因此也不宜采用。
3.2 纵筋的配筋率
异形柱肢端的配筋百分率按异形柱全截面面积计算。异形柱肢厚有限，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，因此将纵向受力钢筋的总配筋率由对矩形柱不大于5%降为不应大于4%（非抗震设计 ）和 3%（抗震设计 ），以减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难。
3.3 梁柱节点
节点是框架的梁柱相交区,需要承受上层柱柱端及本层梁梁端传来的荷载并有效地传递到下柱中去。从而作用于节点区的边界力-外力是梁端和柱端的弯矩 、剪力 、轴力有时甚至还有扭矩。因此，节点核心区处于十分复杂的受力状态。而对于异形柱框架梁柱节点，则还有另一正交外伸柱肢对核心区受剪作用的影响，更为错综复杂。
试验研究和计算分析表明,节点是异形柱框架的薄弱环节,其受剪承载力远低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点。为确保安全，《规范》中要求，异形柱框架应进行梁柱节点核心区受剪承载力计算,同时应满足相应的构造规定。
研究表明，梁端和柱端的弯矩、剪力、轴力、扭矩是通过钢筋受拉及受压传递到节点区的,通过混凝土受压的力的传递，较易实现，但通过钢筋受拉及受压的力的传递，则必须依赖梁柱的纵向受力钢筋的可靠锚固和粘结才能实现。所以保证梁柱纵向受力钢筋在节点核心区中的可靠锚固和粘结分外重要。
4工程实例
某市住宅楼长28.3 m，宽 12.9 m，建筑面积 1 015 m2左右，住宅4 层 ，层高 3.0 m，最大建筑高度为 15.4 m。 该工程抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为 0.10g，设计地震分组为第二组,场地类别为三类。 采用异形柱框架结构，异形柱框架抗震等级为三级。 采用 SATWE 程序分析，各层间位移角见图1，满足规范对层间位移的规定;同时重视抗震概念设计，加强构造措施。 目前已竣工验收交付使用 ，经观察结构整体状况良好。
5结术语
异形柱框架结构楼板在框架整体协同工作中起到的作用较矩形柱框架结构强，故建议采用整体现浇楼面结构，在楼梯间及开较大洞口部位设置矩形柱，角柱为异形柱时角柱边楼板不宜开洞。对结构薄弱部位的楼板还应加厚并配置双层钢筋。
参考文献
[1] 孙超,姚尧.浅析异形柱框架结构设计中应该注意的问题[J].山西建筑,2010,(13).
[2] 杨纪红.有抗震要求的多层住宅异形柱框架结构设计及优化措施分析探讨[J].中外建筑,2010,(04).
[3] 潘鹏,李宏,张勇.异形柱设计小结[J].陕西建筑,2009,(01).
[4] 梁启雄,刘细林.异形柱结构体系抗震性能初探[J].茂名学院学报,2010,(01).
关键词:多层建筑；异形柱的计算；结构设计；梁柱节点
Abstract:This paper analyzes the special-shaped column frame with rectangle columns frame structure in the design of the difference, and the design of special-shaped column frame structure on certain issues in combination with the engineering example to carry on the discussion, proposed some suggestion and peer exchange.
Key words:Multilayer building Special shaped column calculationStructure design Beam column joints
中图分类号：TU972+.9 文献标识码：A文章编号：
现如今，人们对房屋平面与空间布置的要求越来越高 ，跟随着对建筑设计布局也有了新的要求。普通框架结构的露梁露柱对建筑平面与空间的分隔会直接影响到室内家具的布置及空间的使用，故越来越不能被房屋使用者所接纳。有一种全新的结构体系为异形柱框架结构，它能解决普通矩形柱框架结构在房间内露柱造成的使用上不便的问题，其使用面积将会相应增加，同时也可解决砖混结构超高和大开间要求存在的技术问题,故被大多建筑师推广并应用。
1异形柱结构特点
1.1“一”形截面柱及“Z”形截面柱
在《规范》中未采用“一”形截面柱及“Z”形截面柱。 “一”形柱正截面承載力方面两主轴方向抗弯能力相差甚大，不论是在风荷载作用下还是在地震作用下结构中的柱一般都是受到两个方向的弯矩同时作用，其受力后果可想而知；同时“一”形柱在双向剪力作用下性能也不好，由《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)柱双向受剪承载力计算公式可知，柱截面相邻两边边长相差越多,其斜向受剪承载力越低 。“Z”形截面柱与“一”形截面柱类似，即两主轴方向抗弯能力相差甚大。
在工程设计中应避免采用“一”字形截面柱，可采用部分普通矩形截面柱代替。而对于工程中经常遇到需要做“Z”形柱的情况，在设计计算时较好的方法是在PMCAD 输入时将其按两个“L”形柱来输入并进行内力及配筋计算。因为“Z”形柱受力较大时易在中间肢劈开，劈开后（极限状态）其受力接近于两个“L”形柱，按两个“L”形柱处理较为合理。
1.2 异形柱各肢肢长
异形柱各肢肢长，可能相等 ，或不相等 ，但是提倡采用等肢异形柱。 抗震设计时宜采用等肢异形柱，当不得不采用不等肢异形柱时,柱两肢的肢高比不宜超过 1.6,大于 50 mm。为编制江苏省地方标准(DB32/512-2002)东南大学进行的肢高不等的试件双向受剪试验表明,当异形截面柱两肢肢高相近时，其受剪承载力亦大致服从梅花瓣形规律，但当两肢肢高相差较大时，则服从椭圆规律。 因此，具有一定的翼缘也是保证异形柱抵御斜向受剪破坏能力的需要。
1.3 异形柱截面的肢高肢厚比
在《规范》中指出异形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4。 研究表明，即使是同一种异型截面柱，当柱截面肢高肢厚比不同时，柱的性能会出现不同的差异，若异形柱截面各肢的肢高肢厚比控制在不大于4 的范围,则异形柱在偏心受压状态下的应变基本符合平截面假定,其力学性能符合柱的特性。需要指出的是，当截面肢高肢厚比在5~8 范围时，根据现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)的有关规定，此时应划分为短肢剪力墙进行设计。
2异形柱计算
受力性能、抗震性能与矩形柱结构的不同是由异形柱结构自身的特点决定的。由于异形柱截面不对称，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。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。当采用不具有异形柱单元的空间分析程序（如TBSA 5.0）计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。一般，比值（A矩／A异）约在1.10-1.30之间。因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值（A矩／A异）对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。 3异形柱设计
3.1 纵筋的布置
对“L”形、“T”形和“十”字形截面双向偏心受压柱截面上的应变及应力分析表明：在不同的弯矩作用方向角时，截面任一肢端部的钢筋均可能受力最大,为适应弯矩作用方向角的任意性，纵向受力钢筋宜采用相同直径;当轴压比较大 ，受压破坏时，在诸多弯矩作用方向角情形，内折角处钢筋的压应变可达到甚至超过屈服应变，受力也很大，同时还考虑此处应力集中的不利影响,所以内折角处也应设置相同直径的纵向受力钢筋。
异形柱肢厚有限,当纵向受力钢筋直径太大 （d>25 mm），会造成粘结强度不足及节点核心区钢筋的设置的困难。当纵向受力钢筋直径太小时（d<14 mm），在相同的箍筋间距s下，由于s/d 增大，使柱延性下降，因此也不宜采用。
3.2 纵筋的配筋率
异形柱肢端的配筋百分率按异形柱全截面面积计算。异形柱肢厚有限，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，因此将纵向受力钢筋的总配筋率由对矩形柱不大于5%降为不应大于4%（非抗震设计 ）和 3%（抗震设计 ），以减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难。
3.3 梁柱节点
节点是框架的梁柱相交区,需要承受上层柱柱端及本层梁梁端传来的荷载并有效地传递到下柱中去。从而作用于节点区的边界力-外力是梁端和柱端的弯矩 、剪力 、轴力有时甚至还有扭矩。因此，节点核心区处于十分复杂的受力状态。而对于异形柱框架梁柱节点，则还有另一正交外伸柱肢对核心区受剪作用的影响，更为错综复杂。
试验研究和计算分析表明,节点是异形柱框架的薄弱环节,其受剪承载力远低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点。为确保安全，《规范》中要求，异形柱框架应进行梁柱节点核心区受剪承载力计算,同时应满足相应的构造规定。
研究表明，梁端和柱端的弯矩、剪力、轴力、扭矩是通过钢筋受拉及受压传递到节点区的,通过混凝土受压的力的传递，较易实现，但通过钢筋受拉及受压的力的传递，则必须依赖梁柱的纵向受力钢筋的可靠锚固和粘结才能实现。所以保证梁柱纵向受力钢筋在节点核心区中的可靠锚固和粘结分外重要。
4工程实例
某市住宅楼长28.3 m，宽 12.9 m，建筑面积 1 015 m2左右，住宅4 层 ，层高 3.0 m，最大建筑高度为 15.4 m。 该工程抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为 0.10g，设计地震分组为第二组,场地类别为三类。 采用异形柱框架结构，异形柱框架抗震等级为三级。 采用 SATWE 程序分析，各层间位移角见图1，满足规范对层间位移的规定;同时重视抗震概念设计，加强构造措施。 目前已竣工验收交付使用 ，经观察结构整体状况良好。
5结术语
异形柱框架结构楼板在框架整体协同工作中起到的作用较矩形柱框架结构强，故建议采用整体现浇楼面结构，在楼梯间及开较大洞口部位设置矩形柱，角柱为异形柱时角柱边楼板不宜开洞。对结构薄弱部位的楼板还应加厚并配置双层钢筋。
参考文献
[1] 孙超,姚尧.浅析异形柱框架结构设计中应该注意的问题[J].山西建筑,2010,(13).
[2] 杨纪红.有抗震要求的多层住宅异形柱框架结构设计及优化措施分析探讨[J].中外建筑,2010,(04).
[3] 潘鹏,李宏,张勇.异形柱设计小结[J].陕西建筑,2009,(01).
[4] 梁启雄,刘细林.异形柱结构体系抗震性能初探[J].茂名学院学报,2010,(01).