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浙江建院建筑规划设计院
摘要：在日常的结构设计尤其是精品住宅设计和别墅设计过程中，业主对户内空间要求，特别是“墙不露角”等的要求越来越高，因此，异形柱的应用就逐步趋向广泛。异形柱框架结构作为一种实用与功能性强且美观亦较经济的结构形式，能更好的实现现代建筑多种要求，因此具有较好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10%的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6度或7度的地区。为此，文章对异形柱框架结构设计进行初步的探讨。
关键词：异形柱；结构；布置；设计
1、异形柱及异形柱结构体系
异形柱就是异形截面柱的简称。在这里所说的“异形截面”，就是说的柱截面的几何形状和经常用的矩形截面是不一样的。异形柱截面的几何形状可分为十字形、T形、L形，并且截面各肢的肢高肢厚比不得大于4的柱。
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。柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙。
2、异形柱在建筑框架结构中的优点及适用范围
2.1 现在的社会里，异形柱在住宅中应用的越来越广泛，主要是由于以下几个优点：
（1）异形柱框架由于室内无棱角，有利于家具的摆设们可以增加局部使用面积；
（2）异形柱的平面布置很灵活，异形柱结构的维护墙都为非承重的轻质隔墙，受的空间利用的限制少，易于满足业主的空间需求；
（3）异形柱可以建造高层，节约土地资源，造价比框架底，也是一种经济合理的结构体系。
2.2 异形柱的适用范围：
（1）居住建筑（住宅及宿舍）；
（2）抗震设防烈度为7度（0.10g及0.15g）和8度（0.20g，I、II、III类场地）；
（3）柱网尺寸不宜大于6.6m；
（4）房屋总高度的限制。
对于建筑不是太高的住宅，使用异形柱结构体系能够很好的满足建筑功能和使用要求。随着科研和设计人员的不断探索和专研，新的建筑结构体系将不断地出现，也会越来越多地应用于实际工程中。
3、异形柱的受力性能特点
（1）由于异形柱截面的特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；
（2）对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱（H/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率或者极限压应变较小，使弯曲变形性能有限，延性较差；
（3）异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；
（4）异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
4、异形柱框架设计的常见问题
4.1 异形框架的计算
由于异形柱截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按砼设计规范计算，特别是在框—剪，框—筒结构中，对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ類场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的TAT、SATWE程序等。这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地满足结构安全性要求。
4.2 轴压比控制
对框架结构，框-剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重 要的作用，且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。
4.3 配筋构造
在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。 5、异型柱框架结构的设计要点
5.1 异形柱结构的平面布置：
（1）在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。
（2）结构平面布置应减小扭转效应的不利影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移分别不宜大于该楼层两端相应平均值的1.2倍，不应大于该楼层两端相应平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。
（3）异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构均应设计成双向抗侧力结构体系。
（4）异形柱结构不应用于单跨框架结构。
5.2 异形柱结构的竖向布置：
（1）建筑立面和竖向剖面宜规则，均匀，避免过大的外挑和内收。
（2）异形柱结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力沿竖向的突变，竖向结构构件的截面尺寸和材料强度不宜在同一层变化。
（3）异形柱框架-剪力墙结构体系的剪力墙应上下对齐连续贯通房屋全高。
（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。
5.3 异形柱结构应按下列原则考虑地震作用：
（1）抗侧力结构正交布置时，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用。
（2）有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
（3）质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
对于不规则的异形柱结构，需要满足《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ 149-2006）.相关要求。
5.4 异形柱结构构造做法：
（1）异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于4，且肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。
（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）L b确定（Lb为计算跨度），且非抗震设计时不宜小于 350mm.，抗震设计时不宜小于400mm，梁的截面宽度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。
（3）异形柱的混凝土强度等级不小于C25和不大于C50，这是由于异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等级为C25异形柱构件及科学研究相对较少，还不足以形成编制条文的基础。
（4）异形柱的钢筋应满足下列要求：1.钢筋直径不应小于14mm，不应大于25mm；2.纵向钢筋二、三级抗震间距不宜大于200mm，四级不宜大于250mm非抗震不宜大于300mm；3.异形柱全部纵向受力钢筋的配筋率，非抗震时不应大于4%，抗震设计时不应大于3%。
结束语
伴随着我国民用建筑的发展越来越趋向于大的开间、大的空间，异形柱框架结构也将要更多地运用到了住宅建筑当中，所以异形柱框架结构的相关设计师也应该全方位剖析异型柱的受力能力，选择恰当的结构布局，解决好结构的构造问题，准确应用计算机的分析方案，才可以保证结构的安全、可靠、经济、适用。
参考文献：
[1]杨超，张云，异形柱框架结构的特点与设计[J]，山西建筑，2010（12）
[2]李颖，建筑异形框架结构设计中的问题分析[J]，科技与致富導读，2014（14）24-25
[3]《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ 149-2006）.
摘要：在日常的结构设计尤其是精品住宅设计和别墅设计过程中，业主对户内空间要求，特别是“墙不露角”等的要求越来越高，因此，异形柱的应用就逐步趋向广泛。异形柱框架结构作为一种实用与功能性强且美观亦较经济的结构形式，能更好的实现现代建筑多种要求，因此具有较好的经济效益和社会效益。该结构形式一般指同层内异形柱数量超过柱总数量10%的框架或框架剪力墙结构，适用抗震设防烈度为6度或7度的地区。为此，文章对异形柱框架结构设计进行初步的探讨。
关键词：异形柱；结构；布置；设计
1、异形柱及异形柱结构体系
异形柱就是异形截面柱的简称。在这里所说的“异形截面”，就是说的柱截面的几何形状和经常用的矩形截面是不一样的。异形柱截面的几何形状可分为十字形、T形、L形，并且截面各肢的肢高肢厚比不得大于4的柱。
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。柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙。
2、异形柱在建筑框架结构中的优点及适用范围
2.1 现在的社会里，异形柱在住宅中应用的越来越广泛，主要是由于以下几个优点：
（1）异形柱框架由于室内无棱角，有利于家具的摆设们可以增加局部使用面积；
（2）异形柱的平面布置很灵活，异形柱结构的维护墙都为非承重的轻质隔墙，受的空间利用的限制少，易于满足业主的空间需求；
（3）异形柱可以建造高层，节约土地资源，造价比框架底，也是一种经济合理的结构体系。
2.2 异形柱的适用范围：
（1）居住建筑（住宅及宿舍）；
（2）抗震设防烈度为7度（0.10g及0.15g）和8度（0.20g，I、II、III类场地）；
（3）柱网尺寸不宜大于6.6m；
（4）房屋总高度的限制。
对于建筑不是太高的住宅，使用异形柱结构体系能够很好的满足建筑功能和使用要求。随着科研和设计人员的不断探索和专研，新的建筑结构体系将不断地出现，也会越来越多地应用于实际工程中。
3、异形柱的受力性能特点
（1）由于异形柱截面的特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；
（2）对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱（H/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率或者极限压应变较小，使弯曲变形性能有限，延性较差；
（3）异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；
（4）异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
4、异形柱框架设计的常见问题
4.1 异形框架的计算
由于异形柱截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按砼设计规范计算，特别是在框—剪，框—筒结构中，对6度及其以下烈度区的Ⅰ、Ⅱ類场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件目前，国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的TAT、SATWE程序等。这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计，准确性较高，经过大量工程校算，能有效地满足结构安全性要求。
4.2 轴压比控制
对框架结构，框-剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重 要的作用，且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。
4.3 配筋构造
在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。因而在异形柱配筋时，应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，增大其延性。异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，因而箍筋且用Ф8、Ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。 5、异型柱框架结构的设计要点
5.1 异形柱结构的平面布置：
（1）在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。
（2）结构平面布置应减小扭转效应的不利影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移分别不宜大于该楼层两端相应平均值的1.2倍，不应大于该楼层两端相应平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。
（3）异形柱框架结构和异形柱框架-剪力墙结构均应设计成双向抗侧力结构体系。
（4）异形柱结构不应用于单跨框架结构。
5.2 异形柱结构的竖向布置：
（1）建筑立面和竖向剖面宜规则，均匀，避免过大的外挑和内收。
（2）异形柱结构的侧向刚度沿竖向宜均匀分布，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力沿竖向的突变，竖向结构构件的截面尺寸和材料强度不宜在同一层变化。
（3）异形柱框架-剪力墙结构体系的剪力墙应上下对齐连续贯通房屋全高。
（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。
5.3 异形柱结构应按下列原则考虑地震作用：
（1）抗侧力结构正交布置时，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用。
（2）有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
（3）质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
对于不规则的异形柱结构，需要满足《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ 149-2006）.相关要求。
5.4 异形柱结构构造做法：
（1）异形柱截面各肢肢高与肢厚之比不应大于4，且肢厚不应小于200mm，肢高不应小于500mm。
（2）框架梁截面高度Hb可按（1/10～1/15）L b确定（Lb为计算跨度），且非抗震设计时不宜小于 350mm.，抗震设计时不宜小于400mm，梁的截面宽度Bb不宜小于1/4Hb及200mm。
（3）异形柱的混凝土强度等级不小于C25和不大于C50，这是由于异形柱截面尺寸薄，混凝土强度等级小于C25的话可能达不到其与钢筋之间保证粘结的要求。强度等级为C25异形柱构件及科学研究相对较少，还不足以形成编制条文的基础。
（4）异形柱的钢筋应满足下列要求：1.钢筋直径不应小于14mm，不应大于25mm；2.纵向钢筋二、三级抗震间距不宜大于200mm，四级不宜大于250mm非抗震不宜大于300mm；3.异形柱全部纵向受力钢筋的配筋率，非抗震时不应大于4%，抗震设计时不应大于3%。
结束语
伴随着我国民用建筑的发展越来越趋向于大的开间、大的空间，异形柱框架结构也将要更多地运用到了住宅建筑当中，所以异形柱框架结构的相关设计师也应该全方位剖析异型柱的受力能力，选择恰当的结构布局，解决好结构的构造问题，准确应用计算机的分析方案，才可以保证结构的安全、可靠、经济、适用。
参考文献：
[1]杨超，张云，异形柱框架结构的特点与设计[J]，山西建筑，2010（12）
[2]李颖，建筑异形框架结构设计中的问题分析[J]，科技与致富導读，2014（14）24-25
[3]《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ 149-2006）.