異形柱

異形柱是指在滿足結構剛度和承載力等要求的前提下，根據建築使用功能，建築設計佈置的要求而採取不同幾何形狀截面的柱，諸如：T、L、Z 十字形等形狀截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大於4的柱。異形柱各肢肢長，可能相等，或不相等，但提倡採用等肢異形柱。抗震設計時宜採用等肢異形柱，當不得不採用不等肢異形柱時，柱兩肢的肢高比不宜超過1.6，且肢厚相差不大於50mm建築界所講的“異形柱”,特點是截面肢薄,由此引起構件性能與矩形柱性能的包括受力、變形、構造做法等一系列差異。制定規程主要是針對肢厚200、250mm的異形柱。其形式與短牆肢相似,若肢較長就稱短牆肢,很難劃分兩者的界線。

其中“Z”、“一”形柱未列入規程的原因如下 ^[1]  。

第一,“Z”形柱在實際工程中,應用很多。“Z”形截面柱與“一”形截面柱類似,即兩主軸方向抗彎能力相差甚大,多數情況下是Z形的上下兩水平肢受與其方向一致的力,即由兩根梁傳來的拉力或壓力,這隻有通過中間肢的受扭來傳遞,後果只能是中間肢的斷裂。“Z”形異形柱研究的不是很多,但在實際工程還是有用的。如果結構中只是個別柱為Z形,可以採用加強構造的設計。

第二,“一”形柱截面兩主軸方向抗彎能力相差甚大。不論是在風荷載作用下還是在地震作用下結構中的柱一般都是受到兩個方向的彎矩同時作用,其受力後的表現可想而知,它在雙向剪力作用下性能也不好,由GB50010柱雙向受剪承載力計算公式可見,柱截面相鄰兩邊長相差越多,其斜向受剪承載力越低。

異形柱應用在7度設防以下。 在同一截面內，縱向受力鋼筋宜採用相同直徑，其直徑不應小於14mm，且不應大於25mm； 內折角處應設置縱向受力鋼筋； 縱向鋼筋間距：二、三級抗震等級不宜大於200mm；四級不宜大於250mm；非抗震設計不宜大於300mm。當縱向受力鋼筋的間距不能滿足上述要求時，應設置縱向構造鋼筋，其直徑不應小於12mm，並應設置拉筋，拉筋間距應與箍筋間距相同。

各項驗算同普通框架柱,構造和軸壓比建議控制更嚴格一些。因“一”形異形柱不提倡用,在某工程上缺了還不行,沒辦法可用扁平柱,其計算按矩形柱方法計算。

地震力系數放大,自振週期折減。因用異形柱導致剛度下降,使得地震力減小,應採用地震力放大係數來適當地增加地震力。計算各振型地震影響係數所採用的結構自振週期,應考慮非承重填充牆體對結構整體剛度的影響予以折減。

異形柱限制砼強度等級≥C25和≤C50原因

由於異形柱截面尺寸薄，砼強度等級小於C25的話可能達不到其與鋼筋之間保證粘結的要求；C50以上的異形柱構件及結構科學研究相對較少，還不足以行成編制規程條文的基礎，所以這次規程未列入。

1、落地的框架柱應連續貫通房屋全高；不落地的框架柱應連續貫通轉換層以上的所有樓層。底部抽柱數不宜超過轉換層相鄰上部樓層框架柱總數的30%。轉換層下部結構的框架柱不應採用異形柱；底部抽柱帶轉換層的異形柱結構可用於非抗震設計和6度、7度（0.10g）抗震設計的房屋建築；

2、底部抽柱，帶轉換層的異形柱結構在地面以上大空間的層數：非抗震設計不宜超過3層；抗震設計不宜超過2層； 底部抽柱帶轉換層異形柱結構適用的房屋最大高度應按本規程第3.1.2條規定的限值降低不少於10%，且框架結構不應超過6層。框架－剪力牆結構，非抗震設計不應超過12層，抗震設計不應超過10層；

3、 不落地的框架柱應直接落在轉換層主結構上。託柱樑應雙向佈置，可雙向均為框架樑，或一方向為框架樑，另一方向為託柱次梁；轉換層上部異形柱向底部框架柱轉換時，下部框架柱截面的外輪廓尺寸不宜小於上部異形柱截面外輪廓尺寸。轉換層上部異形柱截面形心與下部框架柱截面形心宜重合，當不重合時應考慮偏心的影響；

4、 轉換層及下部結構的混凝土強度等級不應低於C30；轉換層樓面應採用現澆樓板，樓板的厚度不應小於150mm，且應雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率不宜小於0.25%。樓板鋼筋應錨固在邊梁或牆體內；

5、 轉換層上部結構與下部結構的側向剛度比宜接近1。轉換層上、下部結構側向剛度比可按國家行業標準《高層建築混凝土結構技術規程》JGJ3-2002第E.0.2條的規定計算。規程不允許次梁轉換(二次轉換)。

6、 託柱框架樑的截面寬度，不應小於梁寬度方向被託異形柱截面的肢高（就是柱全由梁寬包住）或一般框架柱的截面高度；不宜大於託柱框架柱相應方向的截面寬度。託柱框架樑的截面高度不宜小於託柱框架樑計算跨度的1/8；當雙向均為託柱框架時，不宜小於短跨框架樑計算跨度的1/8。託柱次梁應垂直於託柱框架樑方向佈置，梁的寬度不應小於400mm，其中心線應與同方向被託異形柱截面肢厚或一般框架柱截面的中心線重合。

7、註解：直接承託不落地柱的框架稱託柱框架，直接承託不落地柱的框架樑稱託柱框架樑，直接承託不落地柱的非框架樑稱託柱次梁。

隨着國家行業標準《混凝土異形柱結構技術規程》頒佈，砼異形柱結構將建築美觀、使用功能的靈活性與建築結構合理的受力性能有機地結合起來，為用户提供了理想的居住環境，受到房地產開發商和廣大用户的歡迎，由於其符合室內佈置的要求，且與牆體（指填充牆）連接良好，在我國許多省市的住宅建築已有廣泛的實際應用，甚至在8度地震設防區得到一定程度的應用。

異形柱由於多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態下，各肢產生翹曲正應力和剪應力。由於剪應力，使柱肢混凝土先於普通矩形柱出現裂縫，即產生腹剪裂縫，導致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。

異形柱的延性比普通矩形柱的差，軸壓比、高長比（即柱淨高與截面肢長之比）是影響異形柱破壞形態及延性的兩個重要因素。作為異形柱延性的保證措施，必須嚴格控制軸壓比，同時避免高長比小於4（短柱）。控制柱截面軸壓比的目的，在於要求柱應具有足夠大的截面尺寸，以防止出現小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求。廣東《規程》按建築抗震設計規範（GBJ11—89）中所規定的柱子軸壓比降低0.05取用（按截面的實際面積計算）；天津《規程》則根據箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級共同確定，其要求比廣東《規程》嚴格，例如，對s/d=5、4（即箍筋間距s=100mm，縱筋直徑d分別為20mm、25mm的情況），箍筋直徑dv=8mm，抗震等級為三級的L形截面，其軸壓比限值分別為0.60，0.65。異形柱是從短肢剪力牆向矩形柱過渡的一種構件，柱肢截面的肢厚比（即肢長/肢寬）不大於4。《高規》（JGJ3—91）第5.3.4條，“抗震設計時，小牆肢的截面高度不宜小於3bw”，“一、二級剪力牆的小牆肢，其軸壓比不宜大於0．6”。根據上述分析，為便於應用，建議在6度設防區，對於異形柱框架結構，L形截面柱的軸壓比不應超過0.6（按截面的實際面積計算，下同），T形截面柱的的軸壓比不應超過0.65，十字形截面柱的軸壓比不應超過0.8；對於異形柱框架—剪力牆（或核心筒）結構，由於框架是第二道抗震防線，所以框架柱的軸壓比限值可放寬到0.65（L形）、0.70（T形）、0.90（+字形），但對於轉換層下的支承柱，其軸壓比仍不應超過0.60。

異形柱在住宅建築框架結構中的應用

採用框架結構的住宅建築日見增多。這一方面是由於城市土地的寶貴．很多住宅的層數已建到七層以上近，另一方面是抗震設計的要求．採用框架結構對七層以上建築的抗震設防更為有利。但是，傳統的框架 結構柱子都採用矩形截面．所以不能完全被牆體所包圍，柱角很大一部分露在房間內部，使得傢俱擺設．室內佈置受到一定限制。特 別是小面積住宅更顯影響，用户深感不便。人們普遍希望框架結構的住宅也能像磚混結構一樣房間內部四角平整光滑．整齊美觀．空間使用不受限制．這就給設計提出了新的要求。為了把柱子與牆體結合起來，設計幾種截面形狀的角柱，統稱異形柱(見圖1)，壁厚均設為180毫米，與通常的磚牆厚度一致。解決了柱有凸出牆的問題，取得了良好的使用效果。

採用有異形截面柱的高層住宅建築，在設計中應儘量避免出現短柱，短柱在壓剪作用下往往發生脆性的剪切破壞，須從構造上採取加強措施。根據高長比不宜小於4，在梁高600mm的前提下，當標準層為3.0m時，異形柱的最大肢長可為600mm；底層層高為4.2m時，肢長可為900mm。另外，對柱的縱向鋼筋也有規定，河北省《鋼筋混凝土異形柱框輕結構住宅技術規程》規定，在同一截面內，縱向受力鋼筋宜採用相同直徑，其直徑不應大於25mm，且不應小於14mm，內折角處應設置縱向受力鋼筋，柱中縱向鋼筋間距一般不宜大於200mm，最大不應超過250mm，不能滿足時，應設置縱向構造鋼筋，其直徑可採用12mm，並設拉筋，拉筋間距與箍筋間距相同。箍筋最小直徑φ8，最大間距200mm，對有抗震設防要求時，在柱上下兩端的規定範圍加密區最大間距為100mm。

由於異形柱截面寬度較小，因此在節點處應加強構造措施，以保證結構有較好的延性，達到“強節點強錨固”的抗震要求。如通過限制異形柱各肢端部縱向鋼筋直徑來保證縱向鋼筋骨架有良好的垂直度。在異形柱與矩形柱節點處，限制異形柱縱向鋼筋插入核心區長度，配置異形柱箍筋等保證延性要求。

異形柱已經產生了，像許多新生事物一樣，具有很強的生命力和競爭實力進入建築市場。但這新事物的應用還在初始階段，系統的理論研究還不完整，積累的實驗實踐資料還很少，國家現行規範中還沒有專門對異形柱的計算、設計、構造等作出明確的規定，只有一些地方標準，如河北省標準、廣東省標準、天津市標準等為結構設計提供了依據。總之，異形柱框架結構、異形柱框架—剪力牆結構有着較大的市場需求，在設計中根據其受力特點，充分了解其破壞的各種機理，選用合理的結構形式，正確掌握計算機分析方法和截面配筋，其結構才能有可靠的安全保證。

據報道，美國嚴禁異形柱用於中高層住宅和高層建築物！