劉建生

（山東省建筑設(shè)計研究院青島分院，山東 青島 266000）

混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用及常見問題探討

劉建生

（山東省建筑設(shè)計研究院青島分院，山東 青島 266000）

異形柱由于其自身截面較小，造價較低，且具有不占用建筑空間、用戶使用方便等優(yōu)點，現(xiàn)階段受到越來越多的建設(shè)單位和建筑設(shè)計師的青睞。文章通過對異形柱結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的梳理，分析了異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工現(xiàn)狀，并結(jié)合設(shè)計與施工過程中容易出現(xiàn)的問題，提出了相應(yīng)的解決辦法，以供設(shè)計和施工人員參考。

異形柱；抗震性能；延性

異形柱是指截面幾何形狀為L形、T形、十字形，且其截面各肢的肢長與肢厚之比不大于4的柱（肢長與肢厚之比大于4為混凝土墻）。混凝土異形柱的受力性能介于普通混凝土柱與混凝土剪力墻之間，其延性相對混凝土普通柱來說較差，但又較混凝土墻好。

異形柱結(jié)構(gòu)相比普通矩形柱，可以避免由于混凝土柱截面尺寸大于墻厚而造成的室內(nèi)局部凸出現(xiàn)象，因而節(jié)約了室內(nèi)使用空間。由于其布置形式靈活多樣，同樣可以為建筑造型等帶來很大的便利；相比于普通磚混結(jié)構(gòu)，異形柱結(jié)構(gòu)拋棄了砌體結(jié)構(gòu)中的磚墻等自重較大的墻體，取而代之以加氣混凝土砌塊或其他輕質(zhì)材料，甚至直接使用輕質(zhì)墻板整體施工墻體，大大減輕了結(jié)構(gòu)自身的重量，并縮短了工程周期，降低工程成本；相比普通混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，異形柱自身截面較小，混凝土和鋼筋的用量均較少，可以大大節(jié)約工程材料，降低工程造價。由此可見，由于自身優(yōu)點突出，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在民用建筑中具有非常廣闊的使用前景。

1　異形柱結(jié)構(gòu)的適用條件和研究現(xiàn)狀

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）［1］于2006年8月1日起實施，為混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了基本依據(jù)。其規(guī)定的異形柱結(jié)構(gòu)的房屋最大高度如表1所示。

表1　異形柱框架結(jié)構(gòu)與矩形柱框架結(jié)構(gòu)的最大高度/m

由此可見，對于普通的多層住宅而言，異形柱結(jié)構(gòu)大部分適用，尤其是在別墅這類總高度不大但對使用功能和外觀要求都比較高的建筑中，異形柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢尤為明顯。

我國對異形柱的研究和使用已有三十多年的歷史。自二十世紀(jì)八十年代以來，由于使用功能上的需求，異形柱結(jié)構(gòu)逐步得到推廣。近年來，國內(nèi)外各高等院校、設(shè)計單位、科研機(jī)構(gòu)等均對異形柱的基本性能、設(shè)計方法、構(gòu)造措施及施工方案等方面進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和工程實踐，例如2002年曹萬林等［2］通過異形柱的抗震性能試驗，分析并研究了異形柱在承載力、剛度、延性的特點，并比較了帶暗柱異形柱與普通異形柱在破壞形態(tài)上的差異，提出了帶暗柱異形柱的適用范圍、設(shè)計方法及抗震構(gòu)造措施等。2007年曹萬林等［3］對鋼骨混凝土異形截面柱的軸壓比、抗震性能、延性等進(jìn)行了分析。劉祖強等［4］對型鋼混凝土異形柱框架在反復(fù)荷載作用下的耗能能力進(jìn)行了研究。這些研究都為異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用提供了寶貴的試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

2　異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工

現(xiàn)行《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）是異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，其中，針對異形柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、計算分析和截面設(shè)計及構(gòu)造等方面，該規(guī)程均給出了相應(yīng)的規(guī)定。結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一步是確定設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是決定結(jié)構(gòu)合理性與經(jīng)濟(jì)性的重要因素。在確定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，應(yīng)綜合考慮設(shè)防烈度、房屋高度、施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件等因素；應(yīng)盡量通過合理的結(jié)構(gòu)方案增加結(jié)構(gòu)的多余約束和超靜定次數(shù)，加強結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可能的連續(xù)性倒塌。此外，通過計算分析得到結(jié)構(gòu)各構(gòu)件所受到的作用力，通過內(nèi)力調(diào)整和相應(yīng)的構(gòu)造措施達(dá)到“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計理念，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中容易出現(xiàn)的第一個問題就是梁柱節(jié)點抗剪承載力不足。異形柱節(jié)點域較小，其承載力一般不大，針對這個問題通常的解決辦法有四種：①調(diào)整異形柱截面以增大節(jié)點域面積，但異形柱截面增大后，其分配到的地震力也增大，故柱截面不可過大；②調(diào)整梁的高度以增加節(jié)點域面積；③調(diào)整柱布置方案，通過改變柱間距或梁的跨度以實現(xiàn)作用力的重新分配；④提高混凝土的強度等級。結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常遇到的第二個問題為彈性層間位移角超限?！痘炷廉愋沃Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）中對異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值的要求如表2所示。

表2　異形柱結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值

此限值要求相比普通矩形柱框架結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)形式來說都更為嚴(yán)格。但由于異形柱截面不大，其抗側(cè)力剛度較小，在地震或風(fēng)荷載作用下很容易出現(xiàn)彈性層間位移角超限的情況。對此，一般的解決辦法是盡量采用平面和立面規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如：剛度和承載力均勻分布；異形柱的柱距不要太大，一般最大4～5米左右；縱橫方向的柱網(wǎng)分別對齊拉通；異形柱截面肢厚中心線與框架梁的中心線對齊等。

混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50204）［5］的相關(guān)要求，并應(yīng)制定專門的施工技術(shù)方案。此外，根據(jù)對現(xiàn)場施工的追蹤研究，主要有以下兩點值得關(guān)注：①由于混凝土異形柱截面較小，在梁柱節(jié)點處配筋較為密集，施工時的難度較大?，F(xiàn)階段一般的處理方法就是盡量減少鋼筋根數(shù)，但規(guī)范對鋼筋的最大直徑有所限制（見《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）第6.3.2條），故通過減少鋼筋根數(shù)來解決該問題仍有一定的局限性；另外，還可采用石子粒徑較小的混凝土來降低施工難度。由于石子粒徑較小的混凝土便于振搗，節(jié)點處混凝土的密實度可以得到更好的保證，因此現(xiàn)在施工單位一般也是采用此種方法。有的單位在施工過程中對梁柱節(jié)點和柱混凝土處留置施工縫并分開澆筑，此種方法易造成異形柱裂縫的形成，其受力性能也會受到一定程度的影響，故不建議采用，如必須采用時則應(yīng)采取特殊的處理措施。②由于異形柱截面較小，施工時必須盡量控制施工精度以減小施工偏差。由于異形柱截面往往較小，冬季施工如果養(yǎng)護(hù)措施不到位，很容易造成混凝土的開裂，這種情況一般可通過添加混凝土外加劑、采用專門的冬季施工方案等手段加以解決。

3　異形柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

異形柱結(jié)構(gòu)由于其自身的特點，具有其他結(jié)構(gòu)形式無法比擬的優(yōu)越性，雖然其延性、承載力均弱于相應(yīng)的普通矩形柱框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，但在建筑高度不大的情況下，異形柱結(jié)構(gòu)還是具有較好的適用性。隨著人們對異形柱結(jié)構(gòu)的研究不斷深入以及規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等的逐步完善，異形柱結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性會逐漸提高、適用性更廣，異形柱結(jié)構(gòu)在建筑中也必將發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］ JGJ149-2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］曹萬林.鋼筋混凝土帶暗柱異形柱抗震性能試驗及分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報.2002，（1）：17-21.

［3］曹萬林.鋼骨混凝土異形截面柱抗震性能試驗及分析［J］.土木工程學(xué)報.2007，（1）：26-33.

［4］劉祖強.型鋼混凝土異形柱框架滯回性能分析［J］.工程力學(xué).2016，（7）：81-91.

［5］ GB 50204-2015混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

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