淺談異形柱結構設計中應注意的幾個問題
規劃設計
作者：韓琿 張邦通
【摘要】 本文利用筆者在結構設計實踐中的一些經驗和認識，結合具體工程實例，探討了異形柱結構自身特性以及其在住宅建築中的適用性，並著重分析了異形柱結構設計中容易被忽視的幾個問題。分析表明：異形柱結構整體剛性好，但是抗震性能相比較差，且異形柱截麵慣性矩沿不同方向差別很大，相對於矩形柱結構，異形柱結構的抗震設計中，7度及以上時地震作用尚應對與主軸成45°方向進行補充驗算；由於異形柱截麵的特殊性，異形柱節點核心抗剪能力較弱，設計時尚需要進行節點抗剪驗算；異形柱截麵的剪力中心與截麵形心不重合，延性普遍低於矩形柱，易產生脆性破壞；若結構底部抽柱，轉換層下部結構的框架柱不應采用異形柱，隻能使用矩形柱，影響建築的美觀和使用。
【關鍵詞】 異形柱；結構設計；抗震性能；軸壓比；節點核心；抗剪強度
【中圖分類號】 TU973.3【文獻標識碼】 B 【文章編號】 1727-5123（2014）01-064-02現代住宅建築要求大開間，平麵及房間布置靈活、方便，室內不出現柱楞、不露梁等。由此應運而生的異形柱框架或異形柱框架-剪力牆結構作為一種全新的結構形式廣泛用於小高層住宅建築中，能較好地滿足現代住宅建築的要求，因而逐漸得到了推廣應用。
異形柱是指柱截麵擯棄了慣用的矩形柱，而采用多個小牆肢的組合截麵柱子，由剪力牆演變而來。《混凝土異形柱結構技術規程》2.1.1條對異形柱的定義為：截麵幾何形狀為L形、T形和十字形，且截麵各肢的肢高肢厚比不大於4的柱[1]。這首先就出現了一個盲區，相應於短肢剪力牆（《高規》上定義為牆肢截麵高度與厚度之比為5～8的剪力牆[2]），那麼肢高肢厚比在4～5之間就是個無法界定的區域，隻能在設計中盡量回避這個範圍（特別是一字牆），雖然《混凝土結構設計規範》10.5.1條規定：當構件截麵的長邊（長度）大於其短邊（厚度）的4倍時，宜按牆的要求進行設計[3]。但各本規範對肢高肢厚比在4～5之間的所謂“短牆”，卻沒有更細致的規定。
由於我院住宅工程相對較多，剪力牆結構使用的較多，隨著《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）的頒布，由於異形柱的對建築功能的很好滿足，異形柱結構的工程也逐步多了起來，本人總結了工作以來做過的幾個異形柱結構的工程（主要集中在南京，7度區），感覺是異形柱結構優缺點都很明顯，做起來並不輕鬆，相對於普通的剪力牆結構以及框架結構，異形柱結構條文約束較多，在初次設計時很容易忽視。
首先就是異形截麵柱的受力特點及抗震性能與工程中常用的矩形截麵柱有很多不同之處，雖然異形柱由剪力牆演變而來，但由於柱截麵本身的特殊性，異形柱結構的受力特點既不同於剪力牆結構，也與普通框架相差很大，具有自己的獨特性，在荷載作用的結構反應更加複雜。現階段對這方麵理論分析和試驗研究的資料不多，截麵承載力計算還不能完全套用規範中的有關計算公式。采用有異形截麵柱的框架結構、框-剪結構，其整體變形特征與普通矩形截麵柱相接近。與相同截麵積的矩形柱比較，異形截麵柱的自身剛度大，因而在框架結構和框-剪結構中采用異形截麵柱後，結構的整體剛度增大，結構側移減少；雖然結構的自振周期變短，水平地震作用加大，但結構的整體剛性好，抗震性能不會減低。當梁寬與異形截麵柱肢寬度相同時，樓蓋的豎向荷載是從柱肢端部傳至柱子上去的。對L形截麵柱，其截麵形心與柱肢中軸線不重合，柱子為雙向偏心受壓構件。當水平荷載作用時，水平力也是從框架梁傳至柱肢中軸線上，使柱產生扭轉力矩。因此，異形截麵柱的截麵應力要比一般矩形截麵柱複雜得多，若用精確方法計算，計算工作量十分大。