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摘要：本文分析了异形柱框架结构与普通矩形柱框架结构的差异，并结合规范及作者工程设计经验，提出了异形柱结构设计中应注意的一些问题。
关键词:异形柱；结构设计；构造措施
1 引言
异形柱结构的研究与应用始于20世纪70年代， 我国许多省市都开展了异形柱结构的推广应用工作，发表了许多文章，编制了地方标准。异形柱结构的主要优点是柱肢的厚度与填充墙的厚度相等且柱肢较短， 避免了普通框架柱凸出室内的缺点，扩大了建筑有效使用面积，提高了建筑布置的灵活性，改善了住宅室内空间视觉效果， 且异形柱结构较剪力墙或短肢剪力墙结构更经济， 是我国工程技术人员和科技工作者最近30年来不断探索与精心研究的成果。
近年来， 随着我国建筑业的迅速发展及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，异形柱框架结构、异形柱框架-剪力墙结构在低烈度区多层及小高层中应用越来越广泛。
2 异形柱结构特点及设计的基本规定
异形柱是截面几何形状为L形、T形、十形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。异形柱肢厚一般同墙厚，肢高不小于500mm。
与普通的矩形柱结构相比， 异形柱结构存在以下主要特点：
（1）由于异形柱肢厚较小，柱肢高厚比较大，抗扭性能差，异形柱柱肢相交处应力集中， 甚至产生严重的翘曲变形。因此，异形柱结构平面布置应力求简单、对称、规则，刚度和承载力、质量分布均匀，纵、横向框架柱对齐拉通，以减小地震作用下的扭转效应。对薄弱部位可合理布置部分剪力墙或一般框架柱。《混凝土异形柱结构技术规程》对不规则的异形柱结构提出了更严格的要求（详见规程第3.2.4条和3.2.5条）。
（2）异形柱柱肢厚度小，延性比普通矩形柱差，轴压比是影响异形柱破坏形态以及延性的一个非常重要的因素。且异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面的形心通常不重合，各柱肢截面上除有正应力外， 还有剪应力。由于剪应力的作用，使异形柱肢混凝土比普通矩形柱更易出现裂缝，即腹剪裂缝，导致异形柱呈现脆性，使异形柱的变形能力低于普通矩形柱。因此，为保证异形柱具有足够的延性，《混凝土异形柱结构技术规程》对异形柱轴压比的限值要求比《建筑抗震设计规范》对矩形框架柱的要求要严得多。工程设计时，应严格按规程的要求控制轴压比，防止异形柱出现小偏压破坏，提高异形柱的变形能力，满足抗震要求。
（3）异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，异形柱截面形状特殊，在双向偏心压力作用之下，其截面中和轴通常不与弯矩作用方向垂直，也不与截面边缘平行，其位置随截面尺寸、混凝土强度等级、配筋、弯矩作用方向角及大小等诸多因素变化而变化， 这使得异形柱在双向偏心压力作用下的受力性能十分复杂。实验研究表明：异形柱的双向偏心受压的正截面承载力随荷载作用方向的不同而存在很大差异，特别是L形柱最为明显。因此，在对异形柱结构进行计算时，必须按双向偏压进行计算。另外，异型柱柱肢长度不等时，异形柱在双向偏心压力作用下，其受力情况更加错综复杂，为使异形柱结构有很好的整体受力性能特别是抗震性能， 异形柱宜选用等肢异型柱，当采用不等肢异型柱时，肢长、肢厚相差不应过大。
（4）考虑到异形柱受力的特点，《混凝土异形柱结构技术规程》对异形柱全截面最小配筋率的要求比《混凝土结构设计规范》对矩形柱的要求更加严格（规程第6.2.3条）。
值得一提的是， 当用PKPM程序进行异形柱结构计算时，异形柱计算结果中特定位置钢筋(及柱肢端部及柱肢重叠区域)和其余位置钢筋分别标出，两种钢筋面筋之和满足规程对异形柱全截面配筋率的要求。但笔者认为，特定位置钢筋(及柱肢端部及柱肢重叠区域)为受力钢筋，应满足规程对异形柱全截面配筋率的要求，而其余位置钢筋为分布筋，只有当受力钢筋间距不满足规程要求时才需要布置，且分布筋直径采用Φ12即可。因为即使在双向偏心压力作用下，分布钢筋对于异形柱抗弯承载力的贡献要比柱肢端部钢筋小得多。
（5）异型柱结构梁柱节点核心区域的受力性能和矩形柱节点核心区有很大区别。异形柱框架的肢厚及梁宽不大，节点核心区有效水平截面积小； 同时异形柱结构较普通矩形柱结构刚度大，地震作用力也大，梁柱节点核心区剪力一般来讲比相同布置下的矩形柱结构大；另外，由于梁柱肢薄，施工时节点核心区钢筋施工困难，钢筋间距难以保证，钢筋握裹力差，且混凝土不易振捣密实，施工质量难以满足。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，是异形柱框架结构的薄弱环节。因此，《混凝土异形柱结构技术规程》规定在抗震设计和非抗震设计时异形柱框架节点核心区均应进行受剪承载力计算。
新版PKPM(2008版)当按异型柱结构进行计算时，程序已经按规程中异形柱梁柱节点核心区受剪承载力计算公式进行复核。在实际工程中，应仔细阅读程序计算结果，复核梁柱节点核心区受剪承载力是否满足要求，在对异形柱进行配筋时，须注意节点核心区配筋有可能比加密区配筋大， 此时如果按一般加密区配筋，将使结构存在安全隐患。
3 异形柱结构主要构造要求
根据异形柱受力的特点，《混凝土异形柱结构技术规程》异形柱结构的构造措施要求更加严格，具体要求详见规程，笔者认为以下几点在设计中应引起注意。
3.1 结构材料
异型柱结构中，梁、柱、墙的厚度较薄，为保证结构构件的整体与局部有足够的强度， 混凝土的强度等级不应低于C25，且不应高于C50；由于其结构构件的厚度较薄，钢筋数量过于密集时，不但造成施工困难，混凝土也难于浇捣密实，因此，异型柱结构的纵向钢筋宜采用高强钢筋。
3.2 梁截面尺寸
梁截面高度太小會使柱纵向钢筋在节点核心区内的锚固长度不足，容易引起锚固失效，损害节点的受力性能，特别是地震作用下的抗震性能。因此，《混凝土异形柱结构技术规程》规定了抗震设计的异型柱框架梁最小高度为400mm， 设计人员务必遵守此条规定。
3.3 柱截面尺寸
异形柱肢厚小于200mm时， 会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，因此，异形柱截面的肢厚不应小于200mm，也不宜大于300mm。规程规定， 异形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4， 肢高不应小于500mm。
异形柱结构主要用于住宅建筑， 一般层高为3000mm，在工程设计中一般取异形柱肢长500～600mm为宜， 肢长超过600mm时易形成短柱，不利于抗震且不经济。
3.4 受力钢筋最大配筋率
异形柱肢厚较薄，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，为了减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难， 异形柱全部纵向受力钢筋的最大配筋率比普通矩形柱低， 抗震设计时不应大于3％。
在地震作用组合内力作用下，梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉、另一侧受压，对于异形柱框架梁柱节点易引起纵向钢筋在节点核心区锚固破坏。为保证梁的支座截面有足够的延性，《混凝土异形柱结构技术规程》对二级、三级抗震等级的框架梁梁端的纵向受拉钢筋最大配筋率是根据单筋梁满足x≤h0的条件给出，与普通矩形柱框架结构不同，未考虑受压区钢筋的作用， 其最大配筋率小于普通矩形柱框架结构的框架梁。
3.5 梁纵向受力钢筋直径
矩形柱框架结构的框架梁纵向钢筋伸入节点后，其相对保护层一般较厚，而异形柱的柱肢截面厚度小，梁纵向钢筋在节点的粘结能力小于矩形柱框架， 故抗震设计时，《混凝土异形柱结构技术规程》对贯穿中间节点的框架梁纵筋直径严于矩形柱框架结构（详见规程第6.3.5条）。
4 异形柱结构设计中的几点体会
笔者在以往所参与的工程设计中所碰到的异形柱结构，主要用于多层住宅建筑，在实际工程中的几点体会供大家探讨。
4.1 结构体系的选择
《混凝土异形柱结构技术规程》规定，抗震设防烈度为6度的地区，异形柱结构适用的房屋最大高度及抗震等级如表1：
当某一住宅房屋高度小于21m时，若选用异形柱框架结构体系，此时异形柱框架的抗震等级为四级，由于规程对四级抗震等级的异形柱框架限制条件较少， 结构设计较易满足规程要求。
当某一住宅房屋高度小于24m、大于21m时，仍可选用异形柱框架结构体系，此时异形柱框架的抗震等级为三级。《混凝土异形柱结构技术规程》对三级抗震等级的异形柱框架构造严于矩形柱框架结构， 特别是对贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径的限制，使得矛盾较突出。一般住宅层高为3000mm，框架梁截面的最大高度在600～700mm间， 若异形柱肢长度取500～550mm，异形柱不会形成短柱，但此时贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径要求＜20mm，框架梁支座处钢筋有可能会较密；若取贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径＞20mm，则要求异形柱肢长度＞600mm，此时异形柱较易形成短柱。对于此种情况，若采用异形柱框架－剪力墙结构，剪力墙抗震等级为三级，异形柱框架的抗震等级为四级，也许更合理。
4.2 异形柱的截面形式
《混凝土异形柱结构技术规程》规定异形柱是截面几何形状为L形、T形、十形，未包括一字形及Z形柱。
水平荷载作用下结构中的柱一般都受到两个方向的弯矩同时作用，“一” 形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大，其受力后的表现可想而知。“一” 形柱在双向剪力作用下的性能也不好，如沿“一” 形柱短边方向有梁与其相连，则此梁柱节点的核心区面积很小，节点核心区受剪承载力差。考虑到“一” 形截面异形柱的受力性能不好，研究工作不多，规程未将其列入。
在实际工程中，常常不可避免需采用一字形截面异形柱，如何设计才能保证结构的安全？ 《高层建筑混凝土结构技术规程》允许工程中采用一字形短肢剪力墙，笔者认为，对于一字形截面异形柱，可以参照《高层建筑混凝土结构技术规程》中对一字形短肢剪力墙的规定， 并采取比一字形短肢剪力墙更为严格的要求。例如，控制一字形截面异形柱的数量，适当加大纵向钢筋最小配筋率和箍筋最小配箍率， 在截面的端部设置暗柱，对轴压比进行严格控制等。
在实际工程中，常会遇到需要设置Z形柱的情況，《混凝土异形柱结构技术规程》未作出规定，以下方法可供参考：若有条件可将Z形柱肢适当加长，使其成为短肢剪力墙，按短肢剪力墙建模及构造处理。另外，Z形柱受力较大时，易在中间肢劈裂（极限状态），其受力接近两个L形柱，按两个L形柱处理较为合适。在PMCAD输入时将其按两个L形柱来输入并在两柱中间设置刚性梁连接。
总之，异形柱结构由于其在满足建筑功能、改善住宅室内空间效果等方面比普通矩形框架结构有较大的优势， 在多层及小高层住宅中应用越来越广泛。但异形柱抗震性能较差，异形柱受力较复杂，节点施工质量不易得到满足，设计者应充分了解异形柱结构的受力特点，熟悉《混凝土异形柱结构技术规程》及设计计算软件，结合以往工程经验，从概念设计到结构计算以及构造措施等方面保证结构的既安全可靠又经济合理。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:异形柱；结构设计；构造措施
1 引言
异形柱结构的研究与应用始于20世纪70年代， 我国许多省市都开展了异形柱结构的推广应用工作，发表了许多文章，编制了地方标准。异形柱结构的主要优点是柱肢的厚度与填充墙的厚度相等且柱肢较短， 避免了普通框架柱凸出室内的缺点，扩大了建筑有效使用面积，提高了建筑布置的灵活性，改善了住宅室内空间视觉效果， 且异形柱结构较剪力墙或短肢剪力墙结构更经济， 是我国工程技术人员和科技工作者最近30年来不断探索与精心研究的成果。
近年来， 随着我国建筑业的迅速发展及人们对住宅建筑使用要求的不断提高，异形柱框架结构、异形柱框架-剪力墙结构在低烈度区多层及小高层中应用越来越广泛。
2 异形柱结构特点及设计的基本规定
异形柱是截面几何形状为L形、T形、十形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。异形柱肢厚一般同墙厚，肢高不小于500mm。
与普通的矩形柱结构相比， 异形柱结构存在以下主要特点：
（1）由于异形柱肢厚较小，柱肢高厚比较大，抗扭性能差，异形柱柱肢相交处应力集中， 甚至产生严重的翘曲变形。因此，异形柱结构平面布置应力求简单、对称、规则，刚度和承载力、质量分布均匀，纵、横向框架柱对齐拉通，以减小地震作用下的扭转效应。对薄弱部位可合理布置部分剪力墙或一般框架柱。《混凝土异形柱结构技术规程》对不规则的异形柱结构提出了更严格的要求（详见规程第3.2.4条和3.2.5条）。
（2）异形柱柱肢厚度小，延性比普通矩形柱差，轴压比是影响异形柱破坏形态以及延性的一个非常重要的因素。且异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面的形心通常不重合，各柱肢截面上除有正应力外， 还有剪应力。由于剪应力的作用，使异形柱肢混凝土比普通矩形柱更易出现裂缝，即腹剪裂缝，导致异形柱呈现脆性，使异形柱的变形能力低于普通矩形柱。因此，为保证异形柱具有足够的延性，《混凝土异形柱结构技术规程》对异形柱轴压比的限值要求比《建筑抗震设计规范》对矩形框架柱的要求要严得多。工程设计时，应严格按规程的要求控制轴压比，防止异形柱出现小偏压破坏，提高异形柱的变形能力，满足抗震要求。
（3）异形柱与矩形柱具有不同的截面特性及受力特性，异形柱截面形状特殊，在双向偏心压力作用之下，其截面中和轴通常不与弯矩作用方向垂直，也不与截面边缘平行，其位置随截面尺寸、混凝土强度等级、配筋、弯矩作用方向角及大小等诸多因素变化而变化， 这使得异形柱在双向偏心压力作用下的受力性能十分复杂。实验研究表明：异形柱的双向偏心受压的正截面承载力随荷载作用方向的不同而存在很大差异，特别是L形柱最为明显。因此，在对异形柱结构进行计算时，必须按双向偏压进行计算。另外，异型柱柱肢长度不等时，异形柱在双向偏心压力作用下，其受力情况更加错综复杂，为使异形柱结构有很好的整体受力性能特别是抗震性能， 异形柱宜选用等肢异型柱，当采用不等肢异型柱时，肢长、肢厚相差不应过大。
（4）考虑到异形柱受力的特点，《混凝土异形柱结构技术规程》对异形柱全截面最小配筋率的要求比《混凝土结构设计规范》对矩形柱的要求更加严格（规程第6.2.3条）。
值得一提的是， 当用PKPM程序进行异形柱结构计算时，异形柱计算结果中特定位置钢筋(及柱肢端部及柱肢重叠区域)和其余位置钢筋分别标出，两种钢筋面筋之和满足规程对异形柱全截面配筋率的要求。但笔者认为，特定位置钢筋(及柱肢端部及柱肢重叠区域)为受力钢筋，应满足规程对异形柱全截面配筋率的要求，而其余位置钢筋为分布筋，只有当受力钢筋间距不满足规程要求时才需要布置，且分布筋直径采用Φ12即可。因为即使在双向偏心压力作用下，分布钢筋对于异形柱抗弯承载力的贡献要比柱肢端部钢筋小得多。
（5）异型柱结构梁柱节点核心区域的受力性能和矩形柱节点核心区有很大区别。异形柱框架的肢厚及梁宽不大，节点核心区有效水平截面积小； 同时异形柱结构较普通矩形柱结构刚度大，地震作用力也大，梁柱节点核心区剪力一般来讲比相同布置下的矩形柱结构大；另外，由于梁柱肢薄，施工时节点核心区钢筋施工困难，钢筋间距难以保证，钢筋握裹力差，且混凝土不易振捣密实，施工质量难以满足。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，是异形柱框架结构的薄弱环节。因此，《混凝土异形柱结构技术规程》规定在抗震设计和非抗震设计时异形柱框架节点核心区均应进行受剪承载力计算。
新版PKPM(2008版)当按异型柱结构进行计算时，程序已经按规程中异形柱梁柱节点核心区受剪承载力计算公式进行复核。在实际工程中，应仔细阅读程序计算结果，复核梁柱节点核心区受剪承载力是否满足要求，在对异形柱进行配筋时，须注意节点核心区配筋有可能比加密区配筋大， 此时如果按一般加密区配筋，将使结构存在安全隐患。
3 异形柱结构主要构造要求
根据异形柱受力的特点，《混凝土异形柱结构技术规程》异形柱结构的构造措施要求更加严格，具体要求详见规程，笔者认为以下几点在设计中应引起注意。
3.1 结构材料
异型柱结构中，梁、柱、墙的厚度较薄，为保证结构构件的整体与局部有足够的强度， 混凝土的强度等级不应低于C25，且不应高于C50；由于其结构构件的厚度较薄，钢筋数量过于密集时，不但造成施工困难，混凝土也难于浇捣密实，因此，异型柱结构的纵向钢筋宜采用高强钢筋。
3.2 梁截面尺寸
梁截面高度太小會使柱纵向钢筋在节点核心区内的锚固长度不足，容易引起锚固失效，损害节点的受力性能，特别是地震作用下的抗震性能。因此，《混凝土异形柱结构技术规程》规定了抗震设计的异型柱框架梁最小高度为400mm， 设计人员务必遵守此条规定。
3.3 柱截面尺寸
异形柱肢厚小于200mm时， 会造成梁柱节点核心区的钢筋设置困难及钢筋与混凝土的粘结锚固强度不足，因此，异形柱截面的肢厚不应小于200mm，也不宜大于300mm。规程规定， 异形柱截面各肢的肢高肢厚比不大于4， 肢高不应小于500mm。
异形柱结构主要用于住宅建筑， 一般层高为3000mm，在工程设计中一般取异形柱肢长500～600mm为宜， 肢长超过600mm时易形成短柱，不利于抗震且不经济。
3.4 受力钢筋最大配筋率
异形柱肢厚较薄，柱中纵向受力钢筋的粘结强度较差，为了减少粘结破坏和节点处钢筋设置的困难， 异形柱全部纵向受力钢筋的最大配筋率比普通矩形柱低， 抗震设计时不应大于3％。
在地震作用组合内力作用下，梁支座处纵向钢筋有可能在节点一侧受拉、另一侧受压，对于异形柱框架梁柱节点易引起纵向钢筋在节点核心区锚固破坏。为保证梁的支座截面有足够的延性，《混凝土异形柱结构技术规程》对二级、三级抗震等级的框架梁梁端的纵向受拉钢筋最大配筋率是根据单筋梁满足x≤h0的条件给出，与普通矩形柱框架结构不同，未考虑受压区钢筋的作用， 其最大配筋率小于普通矩形柱框架结构的框架梁。
3.5 梁纵向受力钢筋直径
矩形柱框架结构的框架梁纵向钢筋伸入节点后，其相对保护层一般较厚，而异形柱的柱肢截面厚度小，梁纵向钢筋在节点的粘结能力小于矩形柱框架， 故抗震设计时，《混凝土异形柱结构技术规程》对贯穿中间节点的框架梁纵筋直径严于矩形柱框架结构（详见规程第6.3.5条）。
4 异形柱结构设计中的几点体会
笔者在以往所参与的工程设计中所碰到的异形柱结构，主要用于多层住宅建筑，在实际工程中的几点体会供大家探讨。
4.1 结构体系的选择
《混凝土异形柱结构技术规程》规定，抗震设防烈度为6度的地区，异形柱结构适用的房屋最大高度及抗震等级如表1：
当某一住宅房屋高度小于21m时，若选用异形柱框架结构体系，此时异形柱框架的抗震等级为四级，由于规程对四级抗震等级的异形柱框架限制条件较少， 结构设计较易满足规程要求。
当某一住宅房屋高度小于24m、大于21m时，仍可选用异形柱框架结构体系，此时异形柱框架的抗震等级为三级。《混凝土异形柱结构技术规程》对三级抗震等级的异形柱框架构造严于矩形柱框架结构， 特别是对贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径的限制，使得矛盾较突出。一般住宅层高为3000mm，框架梁截面的最大高度在600～700mm间， 若异形柱肢长度取500～550mm，异形柱不会形成短柱，但此时贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径要求＜20mm，框架梁支座处钢筋有可能会较密；若取贯穿中间节点的梁纵向钢筋直径＞20mm，则要求异形柱肢长度＞600mm，此时异形柱较易形成短柱。对于此种情况，若采用异形柱框架－剪力墙结构，剪力墙抗震等级为三级，异形柱框架的抗震等级为四级，也许更合理。
4.2 异形柱的截面形式
《混凝土异形柱结构技术规程》规定异形柱是截面几何形状为L形、T形、十形，未包括一字形及Z形柱。
水平荷载作用下结构中的柱一般都受到两个方向的弯矩同时作用，“一” 形柱截面两主轴方向抗弯能力相差甚大，其受力后的表现可想而知。“一” 形柱在双向剪力作用下的性能也不好，如沿“一” 形柱短边方向有梁与其相连，则此梁柱节点的核心区面积很小，节点核心区受剪承载力差。考虑到“一” 形截面异形柱的受力性能不好，研究工作不多，规程未将其列入。
在实际工程中，常常不可避免需采用一字形截面异形柱，如何设计才能保证结构的安全？ 《高层建筑混凝土结构技术规程》允许工程中采用一字形短肢剪力墙，笔者认为，对于一字形截面异形柱，可以参照《高层建筑混凝土结构技术规程》中对一字形短肢剪力墙的规定， 并采取比一字形短肢剪力墙更为严格的要求。例如，控制一字形截面异形柱的数量，适当加大纵向钢筋最小配筋率和箍筋最小配箍率， 在截面的端部设置暗柱，对轴压比进行严格控制等。
在实际工程中，常会遇到需要设置Z形柱的情況，《混凝土异形柱结构技术规程》未作出规定，以下方法可供参考：若有条件可将Z形柱肢适当加长，使其成为短肢剪力墙，按短肢剪力墙建模及构造处理。另外，Z形柱受力较大时，易在中间肢劈裂（极限状态），其受力接近两个L形柱，按两个L形柱处理较为合适。在PMCAD输入时将其按两个L形柱来输入并在两柱中间设置刚性梁连接。
总之，异形柱结构由于其在满足建筑功能、改善住宅室内空间效果等方面比普通矩形框架结构有较大的优势， 在多层及小高层住宅中应用越来越广泛。但异形柱抗震性能较差，异形柱受力较复杂，节点施工质量不易得到满足，设计者应充分了解异形柱结构的受力特点，熟悉《混凝土异形柱结构技术规程》及设计计算软件，结合以往工程经验，从概念设计到结构计算以及构造措施等方面保证结构的既安全可靠又经济合理。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。