非對稱配鋼型鋼混凝土柱研究現狀分析

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

型鋼混凝土結構是指在混凝土中配置型鋼(軋制或焊接成型），并且配有一定的受力鋼筋及構造鋼筋的結構，是鋼與混凝土組合結構的一種主要形式[1]。型鋼混凝土結構通過鋼與混凝土的協同作用充分利用了2種材料的承載能力，具有強度高、剛度大、延性好、施工快的特點，是一種具有優異抗震性能的結構體系，而且其耐火性能和耐久性能均優于鋼結構，具有良好的經濟效益。并且型鋼混凝土構件的受力性能優于鋼結構和普通混凝土結構性能的簡單疊加。由于型鋼混凝土結構有很多優點，所以其通常用于高層建筑和大跨度結構中的壓彎構件，在工程實踐中常用的型鋼混凝土柱的型鋼形式和其在構件截面中的位置都是變化的，根據截面配鋼形式的不同，可以分為對稱截面型鋼混凝土柱和非對稱截面型鋼混凝土柱。國內外對對稱截面型鋼混凝土柱的理論和試驗研究較多，已有相關規程可參考，但是對非對稱截面型鋼混凝土柱，到目前為止相關研究較少，未見其抗震性能試驗研究的相關報道。而非對稱截面型鋼混凝土柱在實際工程中的應用非常廣泛，其在地震作用下的性能相比對稱截面柱更加復雜。因此對不同配鋼形式、不同混凝土強度等級、不同軸壓比的對稱截面型鋼混凝土柱進行試驗研究，確定其在反復荷載下的受力特點、截面應力和應變分布、裂縫開展、破壞形態、變形特征、延性性能，提出合理的計算理論和設計方法是緊迫而又頗具重要意義的。研究成果將為型鋼混凝土結構的地震反應分析提供前提條件，以促進這種優越的抗震結構體系的推廣和應用。

1 型鋼混凝土結構在國內外的發展及應用

20世紀初，歐美各國開始對型鋼混凝土柱進行各方面的研究。Burr在1908年做了空腹型鋼混凝土柱的試驗，發現有了混凝土外殼之后，使得柱子的強度和剛度得到了明顯的提高。加拿大學者Mackay于1920年對混凝土內埋置鋼柱的結構進行了研究，結果發現外包混凝土能與型鋼共同工作。英國對此結構進行了理論分析，并在此分析的基礎上于1969年將型鋼混凝土柱寫入英國鋼結構規范BS449的第3部分，隨后將橋梁中所用到的這種柱寫入英國標準BS 5400的第5部分。后來歐美各國學者對型鋼混凝土結構做了大量的試驗研究，證明型鋼混凝土結構比純鋼結構更具優越性，且節省鋼材，并廣泛用于實際工程中。簡而言之，歐美地區對這種結構的運用還是比較早而且也是比較廣泛的。

在日本，型鋼混凝土結構與鋼結構、木結構和普通混凝土結構并列為4大結構。日本對型鋼混凝土結構研究相對我國比較早，而且運用比較廣泛。在日本發生的很多大地震中，采用型鋼混凝土結構的建筑物在大地震中幾乎未遭破環或少量的輕微破壞，這就引起了日本工程界的重視。隨著科學研究的大量進行和工程應用的實踐，發現型鋼混凝土結構具有承載力高、抗震性能好等優點，這就推動了日本對型鋼混凝土結構的研究。在1951年日本建筑學會成立了鋼骨鋼筋混凝土結構分組，對型鋼混凝土結構做了系統的研究。相隔7年后，1958年制定 《鋼骨鋼筋混凝土結構計算規程》，此規程提出了組合結構承載力的簡化計算方法。后來，日本就對實腹式型鋼混凝土結構進行了大量的試驗研究，并于1963年第1次修改了1958年制定的 《鋼骨鋼筋混凝土結構計算規程》，到1987年，該規程又先后做了3次修改，基本形成較為完整的設計理論和方法。日本是個地震多發國，由于型鋼混凝土結構具有優異的抗震性能，這種結構在日本也就得到了大量的研究和應用。

在我國型鋼混凝土結構的發展比較晚，20世紀50年代，我國從國外引進了型鋼混凝土結構，但是在后來的發展應用中由于過于追求節省鋼材，在60年代末幾乎停止使用。80年代以后，隨著我國建筑行業的迅速發展，型鋼混凝土結構在全國慢慢被重視起來。隨后，國內幾所知名高校如西安建筑科技大學、同濟大學等開始對型鋼混凝土結構進行了研究，得出了很多成果。經過幾十年的工程實踐和深入研究，并參考日本鋼骨混凝土設計標準[2]，在1998年我國冶金部頒發了第1部YB9082-97《鋼骨混凝土結構設計規程》[3]，經過幾年的發展改進，2006年又頒布了YB 9082-2006《鋼骨混凝土結構技術規程》[4]。目前國內已將這種結構用于各類大跨及超高層建筑中。例如上海環球金融中心底部采用了8根巨型高含鋼量的型鋼混凝土組合柱；北京CCTV大樓也在底部采用了型鋼混凝土組合柱。據統計，我國共有33棟超高層建筑局部或全部采用了型鋼混凝土組合結構，占全部超高層建筑的一半以上。

對稱配鋼型鋼混凝土柱的研究較為成熟，在美國ACI-318、歐洲Eurocode 4、中國JGJ 138-2001和YB 9082-2006等相關規程中均有詳細的分析計算方法可供工程設計參考借鑒，然而對非對稱配鋼型鋼混凝土柱，在很多方面是有待研究與解決的。而且對非對稱配鋼型鋼混凝土柱的研究是具有現實意義的，在某些情況下(建筑結構中的邊柱、角柱，帶吊車廠房的排架柱，橋梁結構中的一些墩臺等），對稱配鋼型鋼混凝土柱顯然不能滿足不均勻受力狀態或平面尺寸的要求，而應采用不規則截面或規則截面但型鋼不對稱配置的結構形式。常見的截面形式有T形、L形和十形3種，這是根據建筑使用功能和建筑設計布置的要求而定的，一般角柱為L形，邊柱為T形，中柱為十形。

2 非對稱配鋼型鋼混凝土柱研究

與對稱配鋼型鋼混凝土柱的研究相比，非對稱配鋼型鋼混凝土柱的研究尚處于起步階段，相關的試驗方法和數據資料還比較缺乏，現有的研究成果主要為正截面承載力簡化計算方法，同時在相關文獻中還沒有見到過其抗震性能試驗研究的報道。

目前已有的研究成果包括：Roik和Bergmman[5]提出了一種非對稱配鋼型鋼混凝土柱正截面計算方法，該方法為一個簡化的計算方法，是對CEC（1984）規程中雙向對稱配鋼計算方法的修正，而且僅考慮了一個方向對稱配鋼的情況，對于L形、T形等雙向不對稱的情況未提出相應的分析；Rotter[6]等提出了彎壓組合下型鋼混凝土柱的彎矩-曲率關系，但研究中未涉及相應的設計計算方法；阿里甫江·夏木西[7]等利用非線性推覆分析(Push over）方法分析了型鋼偏心對型鋼混凝土柱承載力的影響，并分析了當型鋼混凝土柱的長度和荷載作用位置等參數變化時，隨著型鋼偏心距的不同，型鋼混凝土柱受力性能的變化情況，找出了型鋼偏心對整柱承載力影響的變化規律。

綜上所述，已有的關于非對稱配鋼型鋼混凝土柱的研究僅停留于理論研究的層次，所提出的計算方法均為簡化計算方法，其采用的計算假設與實際受力情況有一定的出入，而且對于非對稱配鋼型鋼混凝土柱最重要的抗震性能還未見研究。

3 非對稱配鋼型鋼混凝土柱研究有待解決的問題

3．1 非對稱配鋼型鋼混凝土柱抗震性能復雜

非對稱配鋼型鋼混凝土柱抗震性能較復雜，其在受力后期會出現明顯的粘結滑移現象，從而影響構件的極限承載力和抗震性能。另一方面，由于橫截面形狀和鋼筋、型鋼配置不對稱，非對稱配鋼型鋼混凝土柱正、負兩向滯回環將不對稱，也使得非對稱配鋼型鋼混凝土柱在地震作用下的受力性能更加復雜。

目前國內外對非對稱配鋼的型鋼混凝土柱抗震性能的研究還不夠系統，其研究工作主要集中于構件定性理論分析，而對影響非對稱型鋼混凝土柱抗震性能的研究缺乏，影響其破壞機制的各主要設計參數研究較少，未建立截面形式、配鋼形式、配鋼率、配箍率、軸壓比、剪跨比等因素與非對稱配鋼的型鋼混凝土柱延性和承載能力的相關關系，沒有提出抗震設計時的軸壓比限值，尚不能對非對稱配鋼型鋼混凝土柱的工程應用提供直接技術支持。

3．2 非對稱配鋼型鋼混凝土柱計算理論不清晰

目前確定型鋼混凝土柱正截面承載力的方法有2類：一類是計算機分析方法，另一類是實用的簡化計算方法，如中國JGJ 138-2001和YB 9082-2006中建議的簡化計算方法，但上述方法還處于理論研究的層次，其計算理論尚不清晰，未經過試驗研究和工程實踐的驗證。

4 結 語

非對稱型鋼混凝土柱具有承載力高、抗震性能好等優點，能夠彌補普通鋼筋混凝土柱以及鋼柱的不足，具有廣闊的推廣應用前景。所以，應加快非對稱配鋼的型鋼混凝土柱承載力與抗震性能研究，建立軸心受壓、偏心受壓時正截面承載力以及水平荷載下斜截面承載力的計算公式，獲得反復荷載下非對稱配鋼型鋼混凝土柱的各項抗震性能指標，建立延性計算公式以及軸壓比限值，為其抗震、抗剪計算提供依據。

[1]趙鴻鐵．鋼與混凝土組合結構 [M]．北京：科學出版社，2001．

[2]日本建筑學會．鋼骨鋼筋混凝土結構計算標準及解說 [M]．馮乃謙，葉列平譯．北京：能源出版社，1998．

[3]中華人民共和國行業標準，鋼骨混凝土結構設計規程(YB 9082-97）[M]．北京：冶金工業出版社，1998．

[4]中華人民共和國行業標準，鋼骨混凝土結構設計規程(YB 9082-2006）[M]．北京：冶金工業出版社，2006．

[5]Roik K，Bergmann R．Design method for composite columns with unsymmetrical cross sections [J]．J Constr Steel Res，1990，15：153-168．

[6]Rotter J M．Rapid exact inelastic biaxial bending analysis [J]．J Struct Engrg，ASCE，1985，111(12）：2659-2674．

[7]阿里甫江·夏木西，張德娟．型鋼混凝土柱的非線性推覆分析原理 [J]．新疆大學學報，2009，26（1）：121-126．