摘 要：对异形柱结构设计中的一般问题进行探讨，提出建议，供结构设计人员参考。
关键词：异形柱；结构设计
异形柱结构是我国自主创新的一种结构体系，发展这种结构体系的基本思想就是：以墙体改革促进建筑功能的改进及建筑结构体系的变革。具体来说就是根据建筑设计对建筑功能及建筑布置的要求，在结构不同部位采取不同形状截面的异形柱，异形柱的柱肢厚度及梁宽度与框架填充墙协调一致，避免矩形截面框架柱在屋角凸出而影响建筑观瞻及使用功能。同时进行墙体改革，采用保温、隔热、轻质、高效的墙体材料作框架填充墙及内隔墙，代替传统的烧结粘土砖。自从粘土砖被禁用一来，混凝土异形柱结构成为备受关注的住宅建筑结构体系之一。
异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢厚度的比值在2-4（通常不宜小于2.5），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，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。
这种结构的特点是：
①由于截面的这种特殊性，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特别是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。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。
在进行异形柱结构设计时，除满足《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》中对结构布置要求外，还应注意几个方面的问题：
（1）异形框架的计算
由于其截面的特殊性，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。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，应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，广东省建院的SS、SSW程序以及天津大学的钢筋砼异形柱结构配筋计算程序CRSC。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。
（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。
《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ 149-2006）中，其轴压比按砼设计规范中的要求减少0.10以上，但其适用高度较低，框架结构不超过24米，框架剪力墙结构不超过45米。当高层建筑的高度进一步加大时，其水平力的影响会愈来愈显著，对结构的延性要求也愈高。由天津大学土木系对异形柱延性资料可知，影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂，且不同的柱截面形式，如L型、T型、十字型，在相同水平侧移下，其延性性能也有较大差异。
（3）计算长度系数
因异形柱在荷载有些作用方向角区域受压弯的稳定性能差和荷载的二阶效应较明显，所以其计算长度系数一定要选择《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中第7.3.11-3的方法计算。另外异形柱的荷载偏心距增大系数与《混凝土结构设计规范》对于矩形柱的规定不同，并且，《混凝土异形柱结构技术规程》的偏心距增大系数计算公式对异形柱的长细比适用范围也不同。《混凝土结构设计规范》对矩形柱长细比的适用范围是l0/h<30（2010版规范取消此说法），而《混凝土异形柱结构技术规程》对异形柱的长细比适用范围是l0/rA<70。这里l0是柱计算长度、h是柱截面高度、r是柱截面回转半径、rA是异形柱截面对垂直于弯矩作用方向形心轴的回转半径。
（4）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，应在肢端设纵向受力钢筋，纵向受力钢筋由计算而定，同一截面纵向受力钢筋直径应相同，其钢筋直径不应大于25mm，且不应小于14mm。离端部厚度范围内设不小于2Ф12的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。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）附加地震作用方向
《混凝土异形柱结构技术规程》第4.2.4-1条规定：一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担，7度（0.15g）及8度（0.20g）时尚应对与主轴成45度方向进行补充验算。
（6）双向地震同时作用
《混凝土异形柱结构技术规程》第4.2.4-2条规定：在计算单向水平地震作用时应计入扭转影响；对扭转不规则的结构，水平地震作用计算应计入双向水平地震作用下的扭转影响。实际上所有空间的结构都要计算双向地震作用，一般建筑要分别计算相互垂直的两个单向水平方向的地震作用，取其地震效应的较大值。《混凝土异形柱结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》的上述条文所讲的双向水平地震作用是指双向水平地震同时作用。异形柱结构地震作用计算宜采用振型分解反应谱法，不规则的异形柱结构的地震作用计算应采用扭转偶联振型分解反应谱法。
（7）周期折减系数
《混凝土异形柱结构技术规程》第4.3.6条规定：计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期，应考虑非承重填充墙体贵结构整体刚度的影响予以折减。异形柱框架结构可取0.60-0.75，框架-剪力墙结构可取0.70-0.85.注意，这个取值范围是针对实心粘土砖的填充墙，当是非实心粘土砖的填充墙时，折减可少一些，也就是折减系数可以比这些值大些。因现在填充墙材料类型众多、刚度性能差别较大，设计人员要根据情况选择适宜的系数。
（8）薄弱层
《混凝土异形柱结构技术规程》第3.2.5-2条规定：楼层承载力突变时，其薄弱层地震剪力应乘以1.20的增大系数；楼层受剪承载力不应小于相邻上一楼层楼层的65%。
总之，异形柱结构将建筑美观、使用功能的灵活性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来，为用户提供了理想的居住环境，有着较大的市场需求，在设计中根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，选用合理的结构形式，正确掌握计算机分析方法和截面配筋，其结构才能有可靠的安全保证。
参考文献
1、 混凝土异形柱结构技术规程 （JGJ 149-2006）中国建筑工业出版社
2、 混凝土结构设计规范 （GB 50010-2010）中国建筑工业出版社
3、 建筑抗震设计规范 （GB 50011-2010）中国建筑工业出版社