刘建生

（山东省建筑设计研究院青岛分院，山东 青岛 266000）

混凝土异形柱结构在建筑中的应用及常见问题探讨

刘建生

（山东省建筑设计研究院青岛分院，山东 青岛 266000）

异形柱由于其自身截面较小，造价较低，且具有不占用建筑空间、用户使用方便等优点，现阶段受到越来越多的建设单位和建筑设计师的青睐。文章通过对异形柱结构相关内容的梳理，分析了异形柱结构的设计与施工现状，并结合设计与施工过程中容易出现的问题，提出了相应的解决办法，以供设计和施工人员参考。

异形柱；抗震性能；延性

异形柱是指截面几何形状为L形、T形、十字形，且其截面各肢的肢长与肢厚之比不大于4的柱（肢长与肢厚之比大于4为混凝土墙）。混凝土异形柱的受力性能介于普通混凝土柱与混凝土剪力墙之间，其延性相对混凝土普通柱来说较差，但又较混凝土墙好。

异形柱结构相比普通矩形柱，可以避免由于混凝土柱截面尺寸大于墙厚而造成的室内局部凸出现象，因而节约了室内使用空间。由于其布置形式灵活多样，同样可以为建筑造型等带来很大的便利；相比于普通砖混结构，异形柱结构抛弃了砌体结构中的砖墙等自重较大的墙体，取而代之以加气混凝土砌块或其他轻质材料，甚至直接使用轻质墙板整体施工墙体，大大减轻了结构自身的重量，并缩短了工程周期，降低工程成本；相比普通混凝土剪力墙结构，异形柱自身截面较小，混凝土和钢筋的用量均较少，可以大大节约工程材料，降低工程造价。由此可见，由于自身优点突出，混凝土异形柱结构在民用建筑中具有非常广阔的使用前景。

1　异形柱结构的适用条件和研究现状

《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）［1］于2006年8月1日起实施，为混凝土异形柱结构的设计提供了基本依据。其规定的异形柱结构的房屋最大高度如表1所示。

表1　异形柱框架结构与矩形柱框架结构的最大高度/m

由此可见，对于普通的多层住宅而言，异形柱结构大部分适用，尤其是在别墅这类总高度不大但对使用功能和外观要求都比较高的建筑中，异形柱结构的优势尤为明显。

我国对异形柱的研究和使用已有三十多年的历史。自二十世纪八十年代以来，由于使用功能上的需求，异形柱结构逐步得到推广。近年来，国内外各高等院校、设计单位、科研机构等均对异形柱的基本性能、设计方法、构造措施及施工方案等方面进行了大量的科学研究和工程实践，例如2002年曹万林等［2］通过异形柱的抗震性能试验，分析并研究了异形柱在承载力、刚度、延性的特点，并比较了带暗柱异形柱与普通异形柱在破坏形态上的差异，提出了带暗柱异形柱的适用范围、设计方法及抗震构造措施等。2007年曹万林等［3］对钢骨混凝土异形截面柱的轴压比、抗震性能、延性等进行了分析。刘祖强等［4］对型钢混凝土异形柱框架在反复荷载作用下的耗能能力进行了研究。这些研究都为异形柱结构的设计和应用提供了宝贵的试验数据和理论依据。

2　异形柱结构的设计与施工

现行《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）是异形柱结构设计的依据，其中，针对异形柱结构的结构布置、计算分析和截面设计及构造等方面，该规程均给出了相应的规定。结构设计的第一步是确定设计方案，结构设计方案是决定结构合理性与经济性的重要因素。在确定合理的结构设计方案时，应综合考虑设防烈度、房屋高度、施工技术、经济和使用条件等因素；应尽量通过合理的结构方案增加结构的多余约束和超静定次数，加强结构的整体稳定性，避免结构出现可能的连续性倒塌。此外，通过计算分析得到结构各构件所受到的作用力，通过内力调整和相应的构造措施达到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的设计理念，以实现结构的延性设计。

结构设计中容易出现的第一个问题就是梁柱节点抗剪承载力不足。异形柱节点域较小，其承载力一般不大，针对这个问题通常的解决办法有四种：①调整异形柱截面以增大节点域面积，但异形柱截面增大后，其分配到的地震力也增大，故柱截面不可过大；②调整梁的高度以增加节点域面积；③调整柱布置方案，通过改变柱间距或梁的跨度以实现作用力的重新分配；④提高混凝土的强度等级。结构设计中经常遇到的第二个问题为弹性层间位移角超限。《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）中对异形柱结构弹性层间位移角限值的要求如表2所示。

表2　异形柱结构弹性层间位移角限值

此限值要求相比普通矩形柱框架结构或其他结构形式来说都更为严格。但由于异形柱截面不大，其抗侧力刚度较小，在地震或风荷载作用下很容易出现弹性层间位移角超限的情况。对此，一般的解决办法是尽量采用平面和立面规则的结构设计方案，如：刚度和承载力均匀分布；异形柱的柱距不要太大，一般最大4～5米左右；纵横方向的柱网分别对齐拉通；异形柱截面肢厚中心线与框架梁的中心线对齐等。

混凝土异形柱结构的施工应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204）［5］的相关要求，并应制定专门的施工技术方案。此外，根据对现场施工的追踪研究，主要有以下两点值得关注：①由于混凝土异形柱截面较小，在梁柱节点处配筋较为密集，施工时的难度较大。现阶段一般的处理方法就是尽量减少钢筋根数，但规范对钢筋的最大直径有所限制（见《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2006）第6.3.2条），故通过减少钢筋根数来解决该问题仍有一定的局限性；另外，还可采用石子粒径较小的混凝土来降低施工难度。由于石子粒径较小的混凝土便于振捣，节点处混凝土的密实度可以得到更好的保证，因此现在施工单位一般也是采用此种方法。有的单位在施工过程中对梁柱节点和柱混凝土处留置施工缝并分开浇筑，此种方法易造成异形柱裂缝的形成，其受力性能也会受到一定程度的影响，故不建议采用，如必须采用时则应采取特殊的处理措施。②由于异形柱截面较小，施工时必须尽量控制施工精度以减小施工偏差。由于异形柱截面往往较小，冬季施工如果养护措施不到位，很容易造成混凝土的开裂，这种情况一般可通过添加混凝土外加剂、采用专门的冬季施工方案等手段加以解决。

3　异形柱结构的发展前景

异形柱结构由于其自身的特点，具有其他结构形式无法比拟的优越性，虽然其延性、承载力均弱于相应的普通矩形柱框架结构和剪力墙结构，但在建筑高度不大的情况下，异形柱结构还是具有较好的适用性。随着人们对异形柱结构的研究不断深入以及规范、标准等的逐步完善，异形柱结构的安全性与可靠性会逐渐提高、适用性更广，异形柱结构在建筑中也必将发挥越来越重要的作用。

［1］ JGJ149-2006混凝土异形柱结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［2］曹万林.钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析［J］.建筑结构学报.2002，（1）：17-21.

［3］曹万林.钢骨混凝土异形截面柱抗震性能试验及分析［J］.土木工程学报.2007，（1）：26-33.

［4］刘祖强.型钢混凝土异形柱框架滞回性能分析［J］.工程力学.2016，（7）：81-91.

［5］ GB 50204-2015混凝土结构工程施工质量验收规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.

TU37

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