住宅建筑异形结构柱设计方法研究

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【摘 要】中国城镇化进程推进城市住宅建设的发展。在建筑结构的设计中，异形结构柱设计具有不凸出墙面的优点，而且在房间的布置的过程中不必考虑墙面的处理，摆放家具具有随意性，因此在目前的建筑结构设计中被广泛使用。本论文针对住宅建筑异形结构柱设计方法进行探究。

【关键词】住宅建筑；异形结构柱设计；框架结构

建筑构造采用普通的框架结构，梁柱会在房屋的墙面上凸显出来，妨碍的美观，而且为房屋的装修设计带来了诸多的不便，更重要的是在房屋装修中提高了成本。鉴于普通的框架结构对于建筑平面和空间存在着局限性，而且影响到房屋的分隔，因此而逐渐被淘汰。在建筑结构设计中，使用异型结构，可以很好地解决传统框架结构所出现的问题，其不会凸出墙面，因此在家具的布置和空间视觉效果上都较为理想。

一、异形结构柱及其受力特点

（一）异形结构柱的概念

异形结构柱区别于矩形柱，从建筑结构上来看，其是借鉴剪力墙设计转变而来的。在建筑结构设计上，采用了组合截面柱，以确保构造的强度和延展性。在建筑框架结构设计中，常用的异形结构柱有十字形、L 形、T 形和Z 形，柱肢截面中各肢的设计标准为：肢高与肢厚均小于（等于）4。在异形结构柱的使用上，墙的转角部位多使用L 形的异形结构柱，在纵横墙的交接处，通常会选用十字形或者T 形的结构柱。柱肢的宽度要等同于填充墙体的厚度，宽度要小于0.30m标准宽度界定在0.20m至0.25m范围内。如果肢长较大，在柱肢的宽度设定上要选择0.60m至0.80m的宽度。

（二）异形结构柱的受力特点

异形结构柱的柱截面存在着自身的特点，并不会因为由剪力墙转变而来而完全带有剪力墙结构的特点，也不会与普通的框架结构相似。

首先，由于异形结构柱截面设计上的特殊性，会导致墙肢平面向内的刚度和向外大刚度差距拉大的情况下，形成了各向的刚度出现了不一致的现象，因此不同方向的承载力也会有所不同。

其次，异形结构柱属于多肢结构，剪切中心在受力的时候，要使变形力和内力得以协调，就要依赖于各个柱肢之间的交点处来实现，从而使各个柱肢当中都出现了一定程度的剪应力和翘曲应力。这种现象的存在，很容易导致柱肢出现破裂，使得核心砼处出现了三向剪力状态，导致异形结构柱出现了明显的脆性破坏。出现这种状况的主要原因，就是异形结构柱的剪切中心往往并不处在结构柱的平面范围内。

再次，与矩形柱有所不同，异形结构柱具有较差的延性，主要是基于其在受力的时候，会有单纯翼缘柱肢受压的状况存在。异形结构柱遭到破坏是在荷载角、剪跨比、轴压比、箍筋间距（ S ）与纵筋直径（D）之间的比值和配箍率等等因素的促动下形成的，其所呈现出来的形态为弯曲破坏、压剪破坏以及小偏压破坏等等。在实际应用中，受力的性能会更为复杂，那么在设计中就要多方面因素考虑，建筑异形结构柱面布置合理，在计算程序和结构措施上，都要选取得当的方法，以确保建筑异形结构柱的承载力。

二、住宅建筑采用异形结构柱设计原则

目前城市建筑鳞次栉比，以高层建筑为主。建筑框架结构采用异形结构柱设计，在高层建筑中要受到局限。安全起见，框架结构的层数低于12层的小高层建筑最宜采用异形柱框架结构设计。建筑筑的平面布置，在不对称结构上，考虑到出现扭转后对于建筑结构会出现不利的影响，因此采用异形结构柱设计，要确保平面结构的形状和刚度都均匀对称。采用异形柱框架柱网要掌握好尺寸设计，框架梁采取双向设置，或者在一些承载较为脆弱的位置增设暗梁，并进行局部板加厚等加强处理措施，因此，对于竖向结构进行异形结构设计，要按照有关标准设计，并尽量均匀，否则，很有可能会出现楼层刚度竖向不均匀而导致突变，或者是外挑内收的现象发生。

关于抗震作用的计算方法，异形结构柱的高度如果低于40米，就要采用剪切变形的方法。当异形结构柱具有均匀的质量和刚度的时候，可以采用底部剪力法。

异形柱框架结构中关于内力和位移的计算，要考虑各个抗侧结构，因此可以按照弹性方法进行计算。在异形结构柱结构的设计上，可以采用计算机分析方法，基于计算机虚拟空间设置，协同平面抗侧力结构。此外，在异形结构柱框架结构的内力分析上，构件截面的设计应选取内力最不利组合作为参考，其中还要考虑地震作用效应和荷载效应。

三、异性结构柱设计在住宅建筑中的应用

（一）工程实例

某高校七层宿舍楼建筑设计为框架结构，建筑主体结构的高度为20米。宿舍楼长为32米，宽13米，总建筑面积大约为1890平方米。建筑物框架结构设计为二级的安全等级，抗震设防度为7度，丙类。建筑框架的抗震等级为三级，50年的设计使用年限。从建筑物所在场地来看，地面粗糙度为B类，场地的类别属于Ⅱ类，地震加速度值界定在 0.10g，采用C40混凝土强度等级。

（二）建筑异性结构柱设计计算

在建筑异形结构柱的设计上，与矩形截面柱有所类似，对于中长柱设计主要采用的计算方法为初始偏心距乘以偏心增大系数ηb。但是从普遍使用的程序计算方法来看，很多的建筑框架结构依然考虑矩形柱截面的计算，因此，要对于异性结构柱进行技术处理，以适应计算机设计软件的使用要求。

1.将柱肢切分为多个矩形段进行计算

首先是进行整体分析。在空间结构体系中，将异形结构柱的主形心惯性矩求出来，然后运用材料力学公式将该截面在主轴的惯性矩和方向角计算出来，并求出主轴和梁的单元刚度。以各项计算结果为参考进行建筑异形结构柱的整体分析。之后，运用材料力学公式得出作用于异形结构柱截面上每个关键点的应力，使用数学积分的方式将每一段柱肢发生在平面内的弯矩、轴力和剪力计算出来，按照对称筋的方法，得出配筋的计算结果。

2.将异形结构柱等效转换为矩形柱

（1）按照一个方向刚度转换，刚度相等、面积相等

对于平面布置结构，如果布置规整，而且可以形成横向的平面框架，那么异形结构柱等效转换为矩形柱，可以按照横向平面内所存在的等同的惯性矩和相等面积的正截面进行转换。这种计算方法通常误差会控制在5%以内。

（2）按照两个方向刚度相等转换

随着住宅建筑设计的复杂化，建筑结构柱几乎都没有形成完整的平面框架，异形结构柱所呈现出来的两个方向的弯度无法进行主次判断，而且主弯曲的方向有所不同，此时，对于异形结构柱的计算应该考虑到双向偏心受压状况。

（3）建筑异形结构柱的抗震性能

对于建筑异形结构柱的抗震性能进行分析，要从整体方面进行综合考虑，通常所采用的框架结构设计为异形截面柱和框架-剪力墙结构，变形特征接近于普通矩形截面柱。然而斜截面的抗剪承载力会在翼缘的作用下比矩形截面柱高出一些，导致了建筑框架结构的整体刚度增大，侧移效果降低。从整体的抗震效果上来看，由于自振周期变短而加大了水平地震的作用力，但基于刚性结构良好，因此抗震性并不会受到较大的影响。

结论：

综上所述，随着国民经济的发展，建筑业兴起，人们生活水平提高的同时，对于住宅建筑的质量要求已经从基本的功能性上升到审美层次。与砌体结构相比，建筑异形钢具有良好的抗震能力和结构延性，而且能够改善房屋的使用条件，因此在建筑领域中具有广泛的应用价值。

【参考文献】

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[2]刘卓异.异形柱框架结构设计常见问题[J].山西建筑， 2010.36（31）.

[3]古松.异形柱框架在住宅建筑中的应用[J].住宅产业， [2006]（08）.