鋼—混凝土組合異形柱的研究進展

黃艷艷 溫宇平

(南昌航空大學土木建筑學院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著社會經濟高速發展，物質水平飛速提高，異形結構體系被廣泛運用，它功能多、空間大，布局也比較靈活。異形柱是指在結構中部分或者全部采用墻肢高厚比不大于4且與墻同厚的T形(適用于邊柱)、L形(適用于角柱)和十字形(適用于中柱)。目前，絕大部分異形結構采用的是鋼筋混凝土，由于高層建筑的普及，建筑的層數增多，上部荷載增大，純粹的鋼筋混凝土異形柱肢較薄弱承載力有限，延性較差，使得異形柱的優點無法體現。而鋼—混凝土組合異形柱在高層和超高層建筑中慢慢推廣使用，是由于它不僅能減少構件截面和鋼材用量，也能夠提高柱的承載力和抗震性能。鋼—混凝土組合異形柱包括鋼管混凝土組合異形柱、鋼管混凝土組合異形柱和鋼骨—鋼管混凝土組合異形柱。

1 鋼骨混凝土柱組合異形柱

鋼骨混凝土異形柱(又稱型鋼混凝土異形柱)是指在鋼筋混凝土異形柱內埋設鋼骨，目前鋼骨混凝土異形柱主要有空腹式和實腹式兩種,常見的截面有T形、L形、十字形，如圖1所示。國外針對鋼骨混凝土異形柱結構的研究主要集中在日本、歐美等國家，主要是利用計算機來分析構件雙向偏壓的承載力性能。

國內很多高校的學者對鋼骨混凝土組合異形柱做了大量的研究。北京工業大學對比研究了實腹式鋼骨混凝土異形截面柱模型和圓形截面柱模型，表明鋼骨混凝土異形截面柱的抗震性能比較好。并將其在研究之前就運用到了北京財富中心一期工程中，以實際工程為基礎，選擇具有代表性的兩種鋼骨混凝土異形柱，進行低周反復荷載試驗，比較其性能。

西安理工大學對加鋼骨柱和不加鋼骨柱進行試驗分析對比研究[2]，得出鋼骨異形柱的軸向承載力比較高。文獻[3]通過分析在普通鋼筋混凝土加入鋼骨的受壓性能，并對比普通鋼筋混凝土柱，表明鋼骨混凝土異形柱的塑性要優于普通混凝土異形柱的塑性。

廣西大學進行了關于空腹式鋼骨混凝土異形柱的正截面承載力的試驗研究和分析，并編制了計算鋼骨異形柱的正截面承載力的程序[4]。文獻[5]也通過在T形截面異形柱柱內布置鋼骨，并與普通鋼筋混凝土異形柱進行試驗對比，表明鋼骨混凝土異形柱的承載力、抗震性能和抗剪性能已明顯提高。

沈陽建筑大學設計研究了一種新型十字形截面鋼骨混凝土異形柱，設置對比組并進行單向偏壓試驗[6]，得出十字形截面鋼骨混凝土柱的承載力明顯高于普通混凝土異形柱。并在其受力性能研究的基礎上，利用有限元分析軟件ABAQUS，模擬受力，繪制出構件的荷載—位移曲線，分析得出：隨著混凝土強度和鋼骨強度的增大，構件承載力得到提高。

空腹式鋼骨混凝土異形柱和實腹式相比，空腹式斜面承載力和抗震性能不好，實腹式鋼骨與混凝土之間的粘結性能比較差，而且用鋼量大。因此，為了改善鋼骨混凝土異形柱的受力性能，南京工業大學提出了一種蜂窩狀鋼骨混凝土異形柱(如圖2所示)，通過試驗研究和分析表明：蜂窩狀鋼骨混凝土異形柱有著良好的力學性能。

2 鋼管混凝土組合異形柱

鋼管混凝土異形柱(截面形式如圖3所示)是在異形鋼管中澆筑混凝土形成的構件，為了增強其承載力，可以設置加勁肋和約束拉桿(如圖4所示)。國內一些高校的專家學者對于鋼管混凝土組合異形柱的性能做了許多研究與分析。

華南理工大學進行試驗研究，對比分析帶約束拉桿和普通的L形鋼管混凝土短柱的軸壓承載力得出，設置約束拉桿后的試件的承載力和延性比普通L形鋼管混凝土試件均有所提高。同濟大學對4個設置加勁肋的和2個非加肋鋼管混凝土異形柱進行了軸壓試驗研究[8]，并結合有限元結果提出了計算L形截面承載力方法和公式。并得出，設置加勁肋對試件承載力影響不大，但對其延性的提高影響明顯。

武漢大學提出了一種由方鋼管型材組合焊接形成的新型鋼管混凝土組合異形柱(如圖5所示),在考慮基礎參數的基礎上，首先對11個T形鋼管混凝土組合異形短柱進行軸壓試驗研究[9]。通過對試件進行靜力加載試驗，并結合有限元進行模擬分析，建立T形鋼管混凝土組合柱的極限承載力和抗剪承載力的計算公式。

天津大學對一種帶綴板的新型鋼管混凝土組合異形柱(如圖6所示)受力性能展開了試驗研究[10]和理論分析，總結出了這類異形柱的軸心受壓承載力公式。并通過有限元軟件ANSYS進行數值模擬計算，對比分析試驗結果，并提出異形柱承載力公式。方鋼管混凝土組合異形柱也在實際工程例如汶川縣映秀鎮漁子溪村重建工程、北京順義區別墅鋼結構住宅工程和河北省保定市易水蘭亭小區等項目中成功應用。

近幾年來，國內高校對鋼管混凝土組合異形柱的抗震性能做了比較多的試驗研究。蘭州大學[10]研究了兩種加勁肋的T形鋼管混凝土短柱的抗震性能，并利用有限元軟件ABAQUS進行模擬計算，對比分析有限元結果和實驗結果，提出了適合加勁肋T型鋼管混凝土短柱的軸壓承載力簡化公式。青島理工大學[11]在SAP2000有限元軟件中建立了6組模型來分析鋼管混凝土組合異形柱的抗震性能，并比較得出結構在實際過程中滿足抗震要求需采用的最佳方式。

華南理工大學利用有限元軟件ABAQUS模擬分析L形截面鋼管混凝土異形柱不同軸壓比下的節點模型的抗震性能[13]，并利用有限元軟件ADINA對其結構模型進行靜力推覆分析[14]，繪制其荷載位移曲線，得出L形截面異形柱框架的延性較好，抗震性能明顯提高。天津大學[15]對方鋼管混凝土組合異形柱防屈曲支撐框架的抗震性能進行研究，采用ABAQUS進行數值模擬分析，并驗證一榀1∶2的框架模型反復加載試驗的試驗結果。

3 鋼骨—鋼管混凝土組合異形柱

鋼骨—鋼管混凝土異形柱是將鋼骨(工字形或十字形)埋入異形鋼管混凝土柱而形成一種新型組合柱。在國內高校中，長江大學對內置鋼骨的鋼管混凝土柱軸心受壓力學性能進行試驗研究和分析。

以內置鋼骨的T形截面鋼管混凝土組合柱[16]為研究對象(截面如圖7所示)，通過對試件進行軸心受壓試驗，繪制試件的荷載應變曲線，分析其破壞形態和試驗現象，了解影響試件軸心受壓力學性能的相關參數。回歸分析試驗結果，采用疊加理論的方法，綜合考慮相關指標變化的影響，同時參考國內外相關規范，提出鋼骨—鋼管混凝土組合短柱軸心受壓極限承載力公式，可供工程設計參考。

以內置鋼骨的L形截面鋼管混凝土組合柱為研究對象(截面如圖8所示)，試件是由一個矩形一個槽形鋼管焊接形成的。從試件受力過程和破壞形態可以看出，內置鋼骨能夠明顯提高試件極限承載力和有效的避免混凝土剪切破壞的產生；配骨率和配箍率在一定情況下也影響著試件的軸壓性能。在參考國內外相關規范和總結的鋼—混凝土組合柱軸壓承載力公式的基礎上，提出的內置鋼骨L形截面鋼管混凝土軸心受壓穩定性承載力的實用計算公式與試驗吻合較好，可供工程設計參考。

以試驗參數為基礎，分別建立鋼管、鋼骨和混凝土的有限元理論模型，采用大型有限元軟件ANSYS10.0，采用三維實體單元對內置鋼骨的組合L形鋼管混凝土柱進行了三維建模，通過選取合適的單元和網格劃分，進行了較準確的軸心受壓力學分析。有限元模擬分析所設計的試件，并對比試驗結果表明，兩者荷載位移的關系曲線、極限荷載等吻合較好。

4 結語

鋼—混凝土組合異形柱是在異形柱、鋼混凝土組合柱的應用基礎上結合其優點而提出一種結構形式。它的出現，不僅使房間空間大、功能多、布局靈活，還能顯著提高其承載力和抗震性能，并且可以應用于多、高層建筑，彌補了普通鋼筋混凝土異形柱的缺陷。目前，鋼骨—鋼管混凝土組合異形柱力學性能、抗震性能的研究和計算理論的完善以及在實際工程中的廣泛應用，將是鋼—混凝土組合異形柱未來發展的方向。