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摘要：混凝土异形柱结构是以T形、L形、十字形的异形截面柱(以下简称异形柱)代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构。采用异形柱结构避免了框架柱在室内凸出，少占建筑空间，改善建筑观瞻，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。近年来异形柱结构在建筑业界尤其是在住宅设计中得到了广泛应用。本文首先分析了异型柱框架结构体系的技术优点，其次与矩形柱进行比较，突出其受力特点和构造特点，在此基础上进一步分析了异形柱结构设计的一般特点和设计中的計算要点，最后提出了异形柱抗震性能的加强措施。
关键词：异形柱；结构；受压；抗震；特点
Abstract: the concrete special-shaped columns structure based on T, L, cross-shaped profiled column (hereinafter referred to as the special-shaped columns) instead of general frame column as vertical supporting member and the structure of the composition. The special-shaped columns structure to avoid frame column in the indoor bulge, little of architectural space, improve the building view for architectural design and use function with agility and convenience. In recent years, special-shaped columns structure in construction industry especially in residential design has been widely applied. This paper first analyzes the special column frame structure system technical advantages, then compare with rectangular column, highlighted its mechanical characteristics and structural characteristics, on the basis of further analysis of the special-shaped column structure design of the general characteristics and design of the main calculation, and finally puts forward some seismic behavior of special-shaped columns to strengthen measures.
Keywords: special-shaped columns; Structure; Compression; Seismic; characteristics
中图分类号：Q959.229+.8文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、异型柱框架结构体系的技术优点
柱肢厚通常采用200mm，肢厚基本与填充墙等厚，框架梁宽也同墙厚，室内不凸出梁柱，便于使用又美观，同时还增加了房间的使用面积，比相同形式的砖混结构可增加约8％～10％的使用面积；围护墙通常是非承重的轻质隔墙，原则上允许任意穿墙打洞，甚至拆除重砌，这使得房间布置更加灵活，能更好地实现建筑功能的要求；虽然增加了施工难度，但因扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用，综合考虑总体经济效益较好。
二、异形柱结构的受力特点
异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，其受力特性比矩形柱要复杂得多，可归纳为：
（一）受压区图形复杂，影响结构延性
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，受压区边缘混凝土应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过快，不利于外边缘的混凝土纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
（二）剪应力导致异形柱变形能力降低
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上正应力和剪应力，剪应力使柱肢混凝土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。
（三）节点核心区受剪承载力低
在相同条件下，异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节，正因为如此，异形柱结构设计时，异形柱节点核心区受剪承载力经常不满足设计要求。
（四）受压承载力计算复杂
异形柱受压承载力计算是一个复杂的问题，原因是由于其配筋形式及截面形状与矩形柱有明显的差异，因此其在受力性能上与矩形截面柱必定存在或多或少的差别，在双偏压作用下，截面中和轴一般不垂直于弯矩作用平面，也不与截面边缘平行，因此《混凝土异形柱结构技术规程》规定异形柱应进行双偏压正截面承载力计算。
（五）异形柱框架结构计算问题不容忽视
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进行异形柱框架结构计算。
三、异形柱的构造特点
异形柱截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚之比不大于4。《规程》还规定异形柱肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。异形柱框架结构是介于短肢剪力墙与矩形框架之间的一种结构体系。其肢高与肢厚之比愈小愈接近框架结构的受力特征。异形柱一般应用于住宅中。
异形柱结构的受力特点及功能决定了异形柱具有如下的构造特点：
1、异形柱的墙厚一般与填充墙墙厚相同。
2、柱净高与截面长边之比即长细比不宜小于4且不大于8，长细比小于4即短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免。因此，异形柱的柱肢不应过长，使异形柱形成短柱或极短柱，不利于抗震。
3、根据长细比不宜小于4，在梁高为600 mm的前提下，当标准层层高为3.0 m时，异形柱的最大肢长可为600 mm；底层层高为4.2 m时，肢长可为900 mm。
4、《规程》规定异形柱框架结构最大适用高度24 m，不能用于高层建筑。这是因为纯短肢剪力墙尚不能单独用于高层建筑，作为弱于短肢剪力墙的结构形式，异形柱框架结构不能用于高层建筑是符合逻辑的。
四、异形柱结构设计的一般特点
（一）结构布置
与一般钢筋混凝土框架结构相比，异形柱框架结构在结构布置时应注意以下原则：
1、结构平面宜尽量对称，使平面和刚度均匀，2个主轴方向应协调布置，避免扭转带来的不利影响；如果有明显的不对称，应考虑扭转对结构受力的不利影响。
2、异形框架宜双向设置，框架柱应对齐，框架梁应拉通，避免纵横框架梁相互支撑，使结构形成空间受力并具有足够的承载能力、刚度和稳定性，同时具有良好的整体性和较好的抗震性能。
3、竖向布置应力求体型规则、均匀，避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，尽量避免错层。
（二）适用高度、高宽比及长细比限制
异形柱框架剪力墙结构在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度≤35m，建筑物的高宽比不宜大于4；8度区房屋高度不大于28m，建筑物的高宽比不宜大于3.5。另外，柱净高与截面长边之比，即长细比宜大于4小于8。长细比小于（4 即短柱），容易发生脆性剪切破坏；长细比大于8，易引起失稳破坏。
（三）抗震等级
异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。
五、异形柱结构的计算要点
（一）剪跨比的限制
剪跨比是反映柱截面所受弯矩与剪力相对大小的一个参数，是影响框架柱破坏形态的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱净高与柱截面肢长之比。由于异形柱的抗剪性能差，选择异形柱截面时，为避免出现短柱。
（二）轴压比的限制
它是影响柱破坏形态和变形能力的另一个重要因素。有关研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，为保证异形柱的延性，必须严格控制轴压比，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，并应满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱。由于异形柱的截面积比具有相同抗弯刚度的矩形柱小，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。
（三）主筋配筋率及配箍率的調整
轴压比控制值的调整，使计算得出的矩形柱配筋值一般均较小，用于异形柱截面配筋时比值应予以放大。考虑到异形柱自身的受力特点，把柱纵向钢筋的最小总配筋率限值提高0.1%。另外由于异形柱较普通柱易于开裂的特点，设计时以普通框架柱的构造体积配箍率0.8%～1.2%为依据，异形柱的配箍率取其上限，并且配箍形式选用矩形复合箍筋。
（四）抗震调整系数的选取
考虑地震作用组合的异形柱，其截面承载力应除以承载力抗震调整系数。通常情况下对于正截面承载能力，取0.8；对于斜截面承载力取0.85。
六、加强异形柱结构抗震性能的措施
在地震作用下，异形柱框架结构最大弹塑性层间位移通常发生在结构底部。常见的加强薄弱层的措施应在底层设置支撑、芯柱，利用已有构件,如适当加强底层楼梯的设计，使其与框架有可靠的连接以产生支撑作用，同时考虑到受力的复杂性，可在设计时将基础与底层异形柱的连接部位改设为矩形柱,或将整个底层柱改设为矩形柱，有利于抗震。
异形柱结构中较为常见的薄弱构件为角柱。通常加强角柱的抗震构造措施为沿柱高全长加密箍筋。考虑到结构顶层轴压比小，梁内钢筋全部伸入角柱的特点，在确定薄弱部位时应注意顶部角节点的抗震性能。
通过对异形柱框架顶层角节点的试验研究，得出了柱的截面形式影响角节点破坏形式的结论，并建议在异形柱结构设计时，顶层柱最好设计成等肢柱,以改善节点受力，提高节点的抗剪性能及延性。其他薄弱部位宜根据结构特点确定：如结构中的大开间房屋地震反应比小开间房屋大，就可将其视为结构中的薄弱部位加强设计，并采取相应的构造措施。
结语
随着经济的不断发展，混凝土异形柱框架结构以其独有的优点一定会有越来越广泛的应用。但其框架结构仍存在一定的缺陷，需要进一步加强改进和完善。设计人员应该在掌握其受力特性和结构特点、了解其结构破坏机理的基础上选用合理的结构形式，正确地运用电算结果，满足规范要求的各种构造措施，才能够保证所设计的结构有可靠的安全度。
参考文献
[1]张喜德，杨涛，许伟军，李东超.混凝土异形柱结构特点及其应用分析[J].广西工学院学报，2007.3.
[2]曹云中，唐锦春.柱肢长宽比对空间异形柱框架抗震性能的影响[J].工程力学，2007.4.
[3]混凝土异形柱结构技术规程（JGJ149-2006）［S］.中国建筑工业出版社，2006.
关键词：异形柱；结构；受压；抗震；特点
Abstract: the concrete special-shaped columns structure based on T, L, cross-shaped profiled column (hereinafter referred to as the special-shaped columns) instead of general frame column as vertical supporting member and the structure of the composition. The special-shaped columns structure to avoid frame column in the indoor bulge, little of architectural space, improve the building view for architectural design and use function with agility and convenience. In recent years, special-shaped columns structure in construction industry especially in residential design has been widely applied. This paper first analyzes the special column frame structure system technical advantages, then compare with rectangular column, highlighted its mechanical characteristics and structural characteristics, on the basis of further analysis of the special-shaped column structure design of the general characteristics and design of the main calculation, and finally puts forward some seismic behavior of special-shaped columns to strengthen measures.
Keywords: special-shaped columns; Structure; Compression; Seismic; characteristics
中图分类号：Q959.229+.8文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、异型柱框架结构体系的技术优点
柱肢厚通常采用200mm，肢厚基本与填充墙等厚，框架梁宽也同墙厚，室内不凸出梁柱，便于使用又美观，同时还增加了房间的使用面积，比相同形式的砖混结构可增加约8％～10％的使用面积；围护墙通常是非承重的轻质隔墙，原则上允许任意穿墙打洞，甚至拆除重砌，这使得房间布置更加灵活，能更好地实现建筑功能的要求；虽然增加了施工难度，但因扩大了使用面积，加之自重较轻，减少了基础费用，综合考虑总体经济效益较好。
二、异形柱结构的受力特点
异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，其受力特性比矩形柱要复杂得多，可归纳为：
（一）受压区图形复杂，影响结构延性
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，受压区边缘混凝土应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过快，不利于外边缘的混凝土纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
（二）剪应力导致异形柱变形能力降低
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上正应力和剪应力，剪应力使柱肢混凝土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。
（三）节点核心区受剪承载力低
在相同条件下，异形柱框架梁柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相同的矩形柱框架梁柱节点的受剪承载力，是异形柱框架的薄弱环节，正因为如此，异形柱结构设计时，异形柱节点核心区受剪承载力经常不满足设计要求。
（四）受压承载力计算复杂
异形柱受压承载力计算是一个复杂的问题，原因是由于其配筋形式及截面形状与矩形柱有明显的差异，因此其在受力性能上与矩形截面柱必定存在或多或少的差别，在双偏压作用下，截面中和轴一般不垂直于弯矩作用平面，也不与截面边缘平行，因此《混凝土异形柱结构技术规程》规定异形柱应进行双偏压正截面承载力计算。
（五）异形柱框架结构计算问题不容忽视
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进行异形柱框架结构计算。
三、异形柱的构造特点
异形柱截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚之比不大于4。《规程》还规定异形柱肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。异形柱框架结构是介于短肢剪力墙与矩形框架之间的一种结构体系。其肢高与肢厚之比愈小愈接近框架结构的受力特征。异形柱一般应用于住宅中。
异形柱结构的受力特点及功能决定了异形柱具有如下的构造特点：
1、异形柱的墙厚一般与填充墙墙厚相同。
2、柱净高与截面长边之比即长细比不宜小于4且不大于8，长细比小于4即短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免。因此，异形柱的柱肢不应过长，使异形柱形成短柱或极短柱，不利于抗震。
3、根据长细比不宜小于4，在梁高为600 mm的前提下，当标准层层高为3.0 m时，异形柱的最大肢长可为600 mm；底层层高为4.2 m时，肢长可为900 mm。
4、《规程》规定异形柱框架结构最大适用高度24 m，不能用于高层建筑。这是因为纯短肢剪力墙尚不能单独用于高层建筑，作为弱于短肢剪力墙的结构形式，异形柱框架结构不能用于高层建筑是符合逻辑的。
四、异形柱结构设计的一般特点
（一）结构布置
与一般钢筋混凝土框架结构相比，异形柱框架结构在结构布置时应注意以下原则：
1、结构平面宜尽量对称，使平面和刚度均匀，2个主轴方向应协调布置，避免扭转带来的不利影响；如果有明显的不对称，应考虑扭转对结构受力的不利影响。
2、异形框架宜双向设置，框架柱应对齐，框架梁应拉通，避免纵横框架梁相互支撑，使结构形成空间受力并具有足够的承载能力、刚度和稳定性，同时具有良好的整体性和较好的抗震性能。
3、竖向布置应力求体型规则、均匀，避免过大的外挑和内收，防止楼层刚度沿竖向的突变，尽量避免错层。
（二）适用高度、高宽比及长细比限制
异形柱框架剪力墙结构在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度≤35m，建筑物的高宽比不宜大于4；8度区房屋高度不大于28m，建筑物的高宽比不宜大于3.5。另外，柱净高与截面长边之比，即长细比宜大于4小于8。长细比小于（4 即短柱），容易发生脆性剪切破坏；长细比大于8，易引起失稳破坏。
（三）抗震等级
异形柱框架结构应根据结构类型、房屋高度及抗震设防烈度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。
五、异形柱结构的计算要点
（一）剪跨比的限制
剪跨比是反映柱截面所受弯矩与剪力相对大小的一个参数，是影响框架柱破坏形态的最重要的因素。控制剪跨比即控制柱净高与柱截面肢长之比。由于异形柱的抗剪性能差，选择异形柱截面时，为避免出现短柱。
（二）轴压比的限制
它是影响柱破坏形态和变形能力的另一个重要因素。有关研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，为保证异形柱的延性，必须严格控制轴压比，柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，并应满足抗震要求，同时避免长细比小于4的短柱。由于异形柱的截面积比具有相同抗弯刚度的矩形柱小，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。
（三）主筋配筋率及配箍率的調整
轴压比控制值的调整，使计算得出的矩形柱配筋值一般均较小，用于异形柱截面配筋时比值应予以放大。考虑到异形柱自身的受力特点，把柱纵向钢筋的最小总配筋率限值提高0.1%。另外由于异形柱较普通柱易于开裂的特点，设计时以普通框架柱的构造体积配箍率0.8%～1.2%为依据，异形柱的配箍率取其上限，并且配箍形式选用矩形复合箍筋。
（四）抗震调整系数的选取
考虑地震作用组合的异形柱，其截面承载力应除以承载力抗震调整系数。通常情况下对于正截面承载能力，取0.8；对于斜截面承载力取0.85。
六、加强异形柱结构抗震性能的措施
在地震作用下，异形柱框架结构最大弹塑性层间位移通常发生在结构底部。常见的加强薄弱层的措施应在底层设置支撑、芯柱，利用已有构件,如适当加强底层楼梯的设计，使其与框架有可靠的连接以产生支撑作用，同时考虑到受力的复杂性，可在设计时将基础与底层异形柱的连接部位改设为矩形柱,或将整个底层柱改设为矩形柱，有利于抗震。
异形柱结构中较为常见的薄弱构件为角柱。通常加强角柱的抗震构造措施为沿柱高全长加密箍筋。考虑到结构顶层轴压比小，梁内钢筋全部伸入角柱的特点，在确定薄弱部位时应注意顶部角节点的抗震性能。
通过对异形柱框架顶层角节点的试验研究，得出了柱的截面形式影响角节点破坏形式的结论，并建议在异形柱结构设计时，顶层柱最好设计成等肢柱,以改善节点受力，提高节点的抗剪性能及延性。其他薄弱部位宜根据结构特点确定：如结构中的大开间房屋地震反应比小开间房屋大，就可将其视为结构中的薄弱部位加强设计，并采取相应的构造措施。
结语
随着经济的不断发展，混凝土异形柱框架结构以其独有的优点一定会有越来越广泛的应用。但其框架结构仍存在一定的缺陷，需要进一步加强改进和完善。设计人员应该在掌握其受力特性和结构特点、了解其结构破坏机理的基础上选用合理的结构形式，正确地运用电算结果，满足规范要求的各种构造措施，才能够保证所设计的结构有可靠的安全度。
参考文献
[1]张喜德，杨涛，许伟军，李东超.混凝土异形柱结构特点及其应用分析[J].广西工学院学报，2007.3.
[2]曹云中，唐锦春.柱肢长宽比对空间异形柱框架抗震性能的影响[J].工程力学，2007.4.
[3]混凝土异形柱结构技术规程（JGJ149-2006）［S］.中国建筑工业出版社，2006.