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摘 要：文章首先介绍了框架结构异型柱设计的一般规定，并对异形桩受力性能特点及轴压比控制进行了分析，最后详细阐述了建筑框架结构异形柱设计。
关键词：异形柱；结构；布置；设计
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）27－0085－02
随着人们对住宅空间的要求越来越高，异型柱框架结构体系在一定程度上满足方便的室内装饰和家具布置，得到了广泛运用。在异形柱结构设计中，应重点注意异形柱截面、内力、变形、抗震性能等方面，而结构布置及异形柱选形、异形柱结构计算分析及构造措施等方面则是确保设计质量和结构安全的关键。
1 异形柱在结构设计的一般规定
实施的新规范中，并没有把异形柱列入其内，说明国家对异形柱设计是非常慎重的，能够借鉴的也只有上面提到的两地方规程，同时仍应依据我国现行标准中的规定，进行截面、构造、抗震等设计。
1.1 结构布置
异形柱框轻结构平面布置的一般原则为：在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状和刚度均匀对称，明显不对称的结构应考虑扭转对结构受力的不利影响，异形柱框架应双向设置，并宜纵向交联。竖向布置的一般原则为：异形柱结构的竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑、内收以及楼层刚度沿竖向的突变。
1.2 适用高度及高宽比、长细比、肢长等限制
（1）异形柱根架在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度≤35 m，高宽比不宜超过5；8度区房屋高度≤25 m，高宽比不宜超过4。
（2）柱净高与截面长边之比即长细比不宜＜4且≤8。根据砼结构规范，长细比＜4即短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。长细比＞8，易引起附加偏心矩，对轴压构件及小偏心受压构件承载力影响较大。
（3）根据长细比不宜＜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。因此，异形柱的柱肢不应过长，各肢肢高与肢厚比不应＞4，且异形柱截面肢厚对多层建筑不应＜150 mm；对高层建筑不应＜200 mm。
1.3 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。根据规定：抗震设防烈度为7度，房屋高度＜22 m时，为三级抗震，高度≥22 m时，为二级抗震；抗震设防烈度为8度，房屋高度≤25 m时，为二级抗震。广东《规程》规定异形柱框架结构只适用于抗震设防烈度为7度及7度以下的地区且房屋高度不超过35 m。
异形柱框架结构对房屋高度控制比较严格，一般仅适用于多层住宅。但由于它在结构布置上灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等优点，使之成为近几年住宅设计的一种潮流，不论别墅、多层甚至小高层，作为房产开发商几乎都要求设计院设计成钢筋砼异形柱结构体系。因此，设计人员必须慎重对待，不可盲目跟风，应严格控制各项设计参数。
2 异形桩受力性能特点及轴压比控制
异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，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，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过快，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
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正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼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。
异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带未的影响不容忽视，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做异形柱框架结构计算。但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战。而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还未完全建立起来，这就给异形柱设计带来了一定的难度，必须在概念设计上予以加强。
作为异形柱延性的保证措施，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，满足抗震要求，同时避免长细比＜4的短柱。抗震设计中规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱。天津大学的试验研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，因此，异形柱的参数控制应比框肢柱更为严格。
3 异形柱框架结构设计构造
3.1 框架柱
（1）柱纵筋与箍筋设置形式有“L”、“T”、“十”及双排布置等形式。在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应＞25 mm，且≥14 mm：纵筋间距＞250 mm时，应设置纵向构造筋，其直径可采用12 mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。
（2）柱截面厚度＜200 mm时，纵向受力钢筋每排不应多于2根；肢厚在200～250 mm时，每排钢筋不应多于3根，必要时可分二排设置，二排钢筋之间的净距不应＜50 mm。
（3）框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为2级时，中柱、边柱不应＜0.7%，角柱不应＜0.9%；抗震等级为3级时，中柱、边柱不应＜0.6%，角柱不应＜0.8%。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率，抗震设计时，对Ⅱ、Ⅲ级钢筋不宜＞3%。
（4）框架柱应采用复合箍，严禁采用具有内折角的箍筋，箍筋必须做成封闭式，箍筋末端做成≥135 °的弯钩，弯钩端头直段长度不应＜10 d（d为箍筋直径）。
（5）箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1/6和500 mm者中的最大值，在加密区内，箍筋的直径不变，其间距为100 mm。
3.2 框架节点
（1）框架梁的截面宽度与异形柱的肢宽相等或梁截面宽度每侧凸出柱边＜50 mm时，在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边＞800 mm处，且满足＜1/25坡度的条件下向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。
（2）当框架梁的截面宽度的任一侧凸出柱边≥50 mm时，则该侧梁角上的纵向受力钢筋可在本肢柱筋外侧伸入梁柱节点内。
3.3 柱与填充墙的连接
（1）异形柱框架结构的填充墙应采用轻质墙体材料，并必须与框架可靠连接。当采用砌体填充墙时，在框架与填充墙的交接处，沿高度每隔500 mm或砌体皮数的适当倍数，用钢筋与柱拉接，钢筋由柱的每边伸出，进入墙内的长度：2级抗震时沿填充墙全长设置；3级时不小于填充墙长的1/5及700 mm，填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于M 2.5。
（2）填充墙长度＞5 m时，墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过4 m时，宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋砼水平墙梁。
4 结束语
总之，异形柱框架结构有着较大的市场需求，具有良好的发展前景，只有充分了解异型柱的受力特点，正确把握设计要点，才能使之有可靠的安全保证。
参考文献
1 郑宏强.探讨异形柱框架结构的设计［J］.山西建筑，2009（24）
2 王丽娟.异形柱框架结构的设计与应用［J］.中外建筑，2007（7）
On the Special－shaped Column Design of Construction Frame Structure
Wei Yu
Abstract: This article first describes the general requirements of special－shaped columns design for frame structure, analyzes the force performance characteristics of special－shaped column and axial compression ratio control, and finally elaborates the special－shaped column design of construction frame structure.
Key words: special－shaped column; structure; layout; design
关键词：异形柱；结构；布置；设计
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）27－0085－02
随着人们对住宅空间的要求越来越高，异型柱框架结构体系在一定程度上满足方便的室内装饰和家具布置，得到了广泛运用。在异形柱结构设计中，应重点注意异形柱截面、内力、变形、抗震性能等方面，而结构布置及异形柱选形、异形柱结构计算分析及构造措施等方面则是确保设计质量和结构安全的关键。
1 异形柱在结构设计的一般规定
实施的新规范中，并没有把异形柱列入其内，说明国家对异形柱设计是非常慎重的，能够借鉴的也只有上面提到的两地方规程，同时仍应依据我国现行标准中的规定，进行截面、构造、抗震等设计。
1.1 结构布置
异形柱框轻结构平面布置的一般原则为：在异形柱结构的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状和刚度均匀对称，明显不对称的结构应考虑扭转对结构受力的不利影响，异形柱框架应双向设置，并宜纵向交联。竖向布置的一般原则为：异形柱结构的竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑、内收以及楼层刚度沿竖向的突变。
1.2 适用高度及高宽比、长细比、肢长等限制
（1）异形柱根架在7度抗震设防烈度区，要求房屋高度≤35 m，高宽比不宜超过5；8度区房屋高度≤25 m，高宽比不宜超过4。
（2）柱净高与截面长边之比即长细比不宜＜4且≤8。根据砼结构规范，长细比＜4即短柱，短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。长细比＞8，易引起附加偏心矩，对轴压构件及小偏心受压构件承载力影响较大。
（3）根据长细比不宜＜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。因此，异形柱的柱肢不应过长，各肢肢高与肢厚比不应＞4，且异形柱截面肢厚对多层建筑不应＜150 mm；对高层建筑不应＜200 mm。
1.3 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。根据规定：抗震设防烈度为7度，房屋高度＜22 m时，为三级抗震，高度≥22 m时，为二级抗震；抗震设防烈度为8度，房屋高度≤25 m时，为二级抗震。广东《规程》规定异形柱框架结构只适用于抗震设防烈度为7度及7度以下的地区且房屋高度不超过35 m。
异形柱框架结构对房屋高度控制比较严格，一般仅适用于多层住宅。但由于它在结构布置上灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等优点，使之成为近几年住宅设计的一种潮流，不论别墅、多层甚至小高层，作为房产开发商几乎都要求设计院设计成钢筋砼异形柱结构体系。因此，设计人员必须慎重对待，不可盲目跟风，应严格控制各项设计参数。
2 异形桩受力性能特点及轴压比控制
异形柱设计要比常规矩形截面柱设计复杂得多，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，压区边缘砼应力过于集中，一旦达到受压强度极限，破坏区域往里渗透得过快，不利于外边缘的砼纤维经历下降段，从而影响整个截面和构件的延性。
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正应力和剪应力，剪应力使柱肢砼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。
异形柱在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带未的影响不容忽视，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做异形柱框架结构计算。但以上计算理论均基于平截面假定，未曾考虑截面翘曲自由度，对于异形柱来说，很可能出现各柱肢单独作用的情况，因此常见的基于平截面假定的公式受到挑战。而对异形柱的分析、试验以及设计方法等一套体系还未完全建立起来，这就给异形柱设计带来了一定的难度，必须在概念设计上予以加强。
作为异形柱延性的保证措施，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，满足抗震要求，同时避免长细比＜4的短柱。抗震设计中规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱。天津大学的试验研究结果表明：轴压比对异形柱的影响远远超过对普通矩形柱的影响，因此，异形柱的参数控制应比框肢柱更为严格。
3 异形柱框架结构设计构造
3.1 框架柱
（1）柱纵筋与箍筋设置形式有“L”、“T”、“十”及双排布置等形式。在同一截面内，纵向受力钢筋宜采用相同直径，其直径不应＞25 mm，且≥14 mm：纵筋间距＞250 mm时，应设置纵向构造筋，其直径可采用12 mm，并设拉筋，拉筋间距为箍筋间距的两倍。
（2）柱截面厚度＜200 mm时，纵向受力钢筋每排不应多于2根；肢厚在200～250 mm时，每排钢筋不应多于3根，必要时可分二排设置，二排钢筋之间的净距不应＜50 mm。
（3）框架柱中全部纵向受力钢筋的配筋率：抗震等级为2级时，中柱、边柱不应＜0.7%，角柱不应＜0.9%；抗震等级为3级时，中柱、边柱不应＜0.6%，角柱不应＜0.8%。框架柱中全部纵向钢筋的配筋率，抗震设计时，对Ⅱ、Ⅲ级钢筋不宜＞3%。
（4）框架柱应采用复合箍，严禁采用具有内折角的箍筋，箍筋必须做成封闭式，箍筋末端做成≥135 °的弯钩，弯钩端头直段长度不应＜10 d（d为箍筋直径）。
（5）箍筋加密区长度取柱截面的长边尺寸、层间柱净高的1/6和500 mm者中的最大值，在加密区内，箍筋的直径不变，其间距为100 mm。
3.2 框架节点
（1）框架梁的截面宽度与异形柱的肢宽相等或梁截面宽度每侧凸出柱边＜50 mm时，在梁四角上的纵向受力钢筋应在离柱边＞800 mm处，且满足＜1/25坡度的条件下向柱筋内侧弯折伸入框架节点内。
（2）当框架梁的截面宽度的任一侧凸出柱边≥50 mm时，则该侧梁角上的纵向受力钢筋可在本肢柱筋外侧伸入梁柱节点内。
3.3 柱与填充墙的连接
（1）异形柱框架结构的填充墙应采用轻质墙体材料，并必须与框架可靠连接。当采用砌体填充墙时，在框架与填充墙的交接处，沿高度每隔500 mm或砌体皮数的适当倍数，用钢筋与柱拉接，钢筋由柱的每边伸出，进入墙内的长度：2级抗震时沿填充墙全长设置；3级时不小于填充墙长的1/5及700 mm，填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于M 2.5。
（2）填充墙长度＞5 m时，墙顶部与梁宜有拉结措施；填充墙高度超过4 m时，宜在墙高中部设置与柱连接的通长钢筋砼水平墙梁。
4 结束语
总之，异形柱框架结构有着较大的市场需求，具有良好的发展前景，只有充分了解异型柱的受力特点，正确把握设计要点，才能使之有可靠的安全保证。
参考文献
1 郑宏强.探讨异形柱框架结构的设计［J］.山西建筑，2009（24）
2 王丽娟.异形柱框架结构的设计与应用［J］.中外建筑，2007（7）
On the Special－shaped Column Design of Construction Frame Structure
Wei Yu
Abstract: This article first describes the general requirements of special－shaped columns design for frame structure, analyzes the force performance characteristics of special－shaped column and axial compression ratio control, and finally elaborates the special－shaped column design of construction frame structure.
Key words: special－shaped column; structure; layout; design