異形柱結(jié)構(gòu)體系綜述

蒙武楠 李文碩 馬旭

【摘 要】異形柱的出現(xiàn)極大的豐富了建筑布局的靈活性，其獨(dú)有的柱截面形式多樣、柱肢厚度與墻體等厚、室內(nèi)沒(méi)有柱楞突出等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它很快被應(yīng)用于實(shí)際工程。但其“先天”帶來(lái)的承載力與抗震性能差使其在推廣使用中具有很大的局限性。本文介紹了混凝土異形柱的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，淺析了目前研究中存在的一些問(wèn)題，同時(shí)提出了今后研究方向并展望了應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；異形柱；抗震性能

前言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，商品化住宅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為房地產(chǎn)業(yè)不可或缺的一個(gè)重要組成部分，擁有一幢滿意的住宅儼然已經(jīng)成為了我國(guó)老百姓消費(fèi)的第一大支出，同時(shí)人們對(duì)房屋的安全、舒適、布局等方面也有了更高的要求。所以，探索適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的住宅體系就變成了研究人員亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)上世紀(jì)曾一度使用多層磚混結(jié)構(gòu)，然而由于其自重大、承載力低以及污染環(huán)境等缺點(diǎn)已經(jīng)被基本淘汰。緊接著，多高層結(jié)構(gòu)由于其更高的土地利用率、自重輕、抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)成為了主流結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工程中很快被推廣應(yīng)用。

但是，框架或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系層數(shù)較多，為了滿足結(jié)構(gòu)的承載力和延性要求，傳統(tǒng)矩形柱的截面尺寸不得不大于墻體厚度，使得柱子產(chǎn)生柱楞外凸，直接影響居室的使用面積并且影響家具家具布置?；诖?，柱肢寬度與墻同厚的 L 形、T形及十字形等異形柱應(yīng)運(yùn)而生。使用的靈活性和建筑的美觀性被異形柱有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為用戶提供舒適的居住環(huán)境，完美解決了柱楞外凸的問(wèn)題。

1.異形柱研究現(xiàn)狀

早在20世界80年代中期，國(guó)外學(xué)者就發(fā)現(xiàn)了異形柱有著極大的應(yīng)用前景并且對(duì)其進(jìn)行了研究，但由于是開(kāi)拓性探索，研究條件與思路都有一定的局限，當(dāng)時(shí)的僅研究了異形柱構(gòu)件單向和雙向壓彎受力性能。之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者緊跟國(guó)際發(fā)展潮流，引進(jìn)并發(fā)展了異形柱結(jié)構(gòu)，并對(duì)新型的異形柱形式展開(kāi)了研究工作。目前國(guó)內(nèi)外異形柱結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土異形柱、鋼骨混凝土異形柱、鋼異形柱與鋼管混凝土異形柱。

1.1鋼筋混凝土異形柱

這是最早形式的異形柱，如前文所述，國(guó)外學(xué)者早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始了對(duì)鋼筋混凝土異形柱的軸心受壓性能和偏心受壓性能的研究，并且提出了計(jì)算鋼筋混凝土異形柱承載力的方法 [1]。在上世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)研究人員在國(guó)外研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼筋混凝土異形柱進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了用于鋼筋混凝土異形柱的抗震性能、節(jié)點(diǎn)承載力、截面承載力的設(shè)計(jì)方法 [2]。

1.2鋼骨混凝土異形柱

由于在研究中發(fā)現(xiàn)了鋼筋混凝土異形柱存在很大缺陷，所以研究人員嘗試在鋼筋混凝土異形柱內(nèi)部設(shè)置型鋼來(lái)增強(qiáng)其抗震性能，即鋼骨混凝土異形柱。通過(guò)在各單肢型鋼之間連接水平和斜向桿，然后澆筑混凝土，包裹型鋼骨架，稱(chēng)為桁架式型鋼混凝土異形柱 [3]。實(shí)驗(yàn)表明，在內(nèi)部設(shè)置桁架體系雖然一定程度上提高了抗震性能，但依然沒(méi)有解決鋼筋混凝土異形柱與鋼骨混凝土異形柱抗裂性能較弱的問(wèn)題。

1.3 鋼異形柱

鋼異形柱是將若干（通常是1-2個(gè)）T形截面連接在一個(gè)H型鋼截面上，從而組成十字形、 T形、L形柱[4] 。鋼異形柱的出現(xiàn)很大程度上拓寬了異形柱的發(fā)展前景，它的翼緣寬度設(shè)置十分靈活，可以隨著建筑墻體厚度的改變而改變，柱的翼緣與框架梁采用剛接的形式，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼異形柱因其使用靈活、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，廣受研究與施工人員推崇，但其梁柱節(jié)點(diǎn)與形心偏離時(shí)，受力方向有很大的隨機(jī)性，目前也并沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，致使計(jì)算復(fù)雜且給后期分析帶來(lái)不小的難度。并且為了防止局部失穩(wěn)，必須提高用鋼量，導(dǎo)致建設(shè)成本有較大提高，并不經(jīng)濟(jì)。

1.4鋼管混凝土異形柱

鋼管混凝土異形柱是通過(guò)在異形鋼管柱中澆筑混凝土形成的。我們?cè)谑┕ぶ薪?jīng)常使用添加加勁肋等方法來(lái)提高砼與鋼管的契合度，從而提高工作質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明[5] ，與鋼筋混凝土異形柱相比，鋼管混凝土異形柱明顯具有更高的承載能力。但是在鋼管內(nèi)部放置加勁肋的工序太過(guò)繁瑣復(fù)雜，給實(shí)際施工帶來(lái)很大的不便，所以并不適合推廣應(yīng)用，假設(shè)使用螺栓機(jī)械咬合，那么螺母與螺帽在一定程度上也會(huì)妨礙墻體的立面效果。

2. 異形柱框架結(jié)構(gòu)研究存在的問(wèn)題

異形柱框架結(jié)構(gòu)研究目前存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

2.1異形柱結(jié)構(gòu)的計(jì)算通常使用的方法為有限元分析法，該方法雖然有廣泛的適用性，但不夠系統(tǒng)，理論也不夠完善。

2.2 由于異形柱框架結(jié)構(gòu)是由鋼管、鋼筋、混凝土等許多不同材料及不同構(gòu)件構(gòu)成，且構(gòu)成方式各有異同，所以其傳導(dǎo)力的方式以和整體的受力性能并不能用“1+1=2”的思路來(lái)解決，而是要從整體來(lái)研究，但目前的研究更多的是局限在了局部性能和單個(gè)構(gòu)件。

2.3 目前國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)及院校，對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能方面的研究大多僅僅是停留在多層結(jié)構(gòu)，對(duì)高層結(jié)構(gòu)的研究鮮有涉足，并且得出的結(jié)果通常都是定性分析，并沒(méi)能進(jìn)一步得出更深入的結(jié)論，沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，無(wú)法形成標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。

3.結(jié)束語(yǔ)

雖然由于異形柱截面本身的承載力較低，抗震性能較差，導(dǎo)致鋼筋、鋼管混凝土異形柱結(jié)構(gòu)存在某些“先天不足”，但所謂“瑕不掩瑜”，異形柱的優(yōu)越性也是被廣泛認(rèn)同的，相信隨著眾多科研人員的不斷探索，異形柱的缺點(diǎn)會(huì)被逐漸彌補(bǔ)，從而達(dá)到地震區(qū)的抗震設(shè)防要求，在建設(shè)21世紀(jì)新型住宅工程中發(fā)揮重要的作用。

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[3] 陳宗平，薛建陽(yáng)，趙鴻鐵.低周反復(fù)荷載作用下型鋼混凝土異形柱的抗剪承載力分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（7）：30-36.

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