钢筋混凝土异形柱结构分析

郭 翔

0 引言

异形柱结构是20世纪中后期被提出的一种经济型结构形式，其主要应用于框架结构中，将柱隐于墙内，即使用异形截面取代普通矩形柱，使得室内墙面平整，扩大了建筑使用面积，提高了建筑的灵活布置，同时改善了室内空间视觉效果。

1 钢筋混凝土异形柱的研究现状

1.1 国外关于钢筋混凝土异形柱的研究现状

国外对异性钢筋混凝土异形柱框架体系的研究工作可追溯到30年前，对钢筋混凝土异形柱的研究比较全面，涉及T形、L形和十字形等截面。美国学者Joaquin Marin在20世纪70年代就进行了第一根钢筋混凝土L形短柱的全过程分析，通过大量L形短柱试验和理论研究，给出了承载力相关曲线[1]。1983年，印度学者L.N.Ramamurthy和 T.A.Hafeez Khan分别对等肢和不等肢 L形截面双向偏压柱进行了理论分析和试验研究。美国学者M.D.Davister于1986年对不规则的双向偏压柱进行了理论和试验研究，提出了两种简易的计算分析L形柱的极限承载力的方法。1989年～1993年，美国学者Cheng-Tzu和Thomas Hsu对L形、槽形和T形双向偏压柱分别进行了全过程分析，最后归纳出强度相关曲线和荷载等值线，对不同截面形式的柱提出了统一的设计方法，以便设计应用[2]。1992年和1993年，印度学者 MallikarJunal和P.Mahadevappa先后对于双向压弯的L形和T形截面的钢筋混凝土柱利用计算机进行系统的计算分析，并给出相应的图表和Fortran程序。1996年，印度学者S.N.Sinha对不同截面尺寸和构造配筋的双向偏压的十字形柱进行了研究，并绘制出该类双向压弯构件的相关曲线，分析了不同配筋形式对承载力的影响。

1.2 国内关于钢筋混凝土异形柱的研究现状

国内对钢筋混凝土异形柱结构的研究开始于20世纪90年代中后期。这期间土木领域各高校及研究所相继就异形柱课题进行了双向偏压和抗震性能的系列研究。1992年～1994年，河北工业大学先后完成了对L形、T形、十字形柱的抗震性能的试验研究，为进行不同水平地震作用方向下异形柱的抗震性能研究初步奠定了试验基础。1993年，大连理工大学对T形、十字形、L形柱进行了双向偏压性能的试验研究。结果表明，异形柱双向偏压正截面工作机理与单向偏心受压构件相似[3]。1995年，华南理工大学与广东房地产开发设计院合作，对T形、L形柱进行了双向偏压试验研究，并推导出T形、L形正截面承载力的实用计算公式。1995年～2004年北京工业大学曹万林对L形、T形和十字形截面柱在工程轴方向、垂直于工程轴方向、与工程轴呈45°方向进行了水平周期反复荷载下的试验研究，研究了暗柱对L形、T形和十字形柱抗震能力的影响，以及钢骨混凝土异形截面柱的抗震性能[4]。1997年～2002年，天津大学对T形、L形和十字形异形柱进行了一系列试验研究，在此基础上，通过计算程序模拟及非线性全过程分析，数值拟合得到偏心距增大系数的统一计算公式。2001年，中国建筑科学研究院对国内外进行过的18根L形偏心受压柱强度试验结果进行了统计分析，给出了L形双向偏压柱的实用计算公式。2003年，同济大学研究了Z形、L形和宽肢异形柱在低周反复荷载作用下的抗剪性能。2005年，西安理工大学对6根钢骨混凝土异形柱、3根T形截面柱、3根L形截面柱和2根普通钢筋混凝土异形柱、1根T形截面柱、1根L形截面柱做不同轴压比下承受水平周期性荷载时的对比试验[5]。

2 钢筋混凝土异形柱的特点

在很多住宅结构设计中，设计人员往往采用与填充墙同厚的T形、L形、十字形等异形截面混凝土柱，这种做法保证柱肢宽度与墙体厚度相同，避免了矩形柱在室内凸出的缺点，有效提高建筑的使用面积，改善了室内空间的视觉效果，而且提高了建筑功能并使室内布置灵活。异形柱由于是多肢的，其剪切中心有时会在平面范围内，受力时靠各肢交点处的混凝土协调变形和内力，而由于刚度和应力状态的影响，使得异形柱较普通截面柱的变形能力较低。同时钢筋混凝土异形柱属于薄壁构件，又存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性会降低，其破坏形态有弯曲破坏、小偏心受压破坏、压剪破坏等，而影响其破坏形态的因素又较多，轴压比、配筋率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值、柱净高与截面肢长比(剪跨比)等都对其有影响[6]。由于其受力性能复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。在外力作用下异形截面柱一般会发生双向弯曲，而截面的特殊性使得墙肢平面内外两个方向的刚度有很大差别，其各个方向上的承载能力差别也很大。在结构布置时应注意异形柱的设置，宜使整个结构的平面对称、刚度均匀，避免扭转作用对结构受力的不利影响，保证结构的整体抗震性。同时可根据结构平面布置和受力特点，在各种结构体系中部分布置异形柱，以充分发挥异形柱在建筑使用上和结构受力上的优点。

3 钢筋混凝土异形柱的缺点

异形柱在全国各地都有广泛的应用，建设部颁布的行业标准JGJ 149-2006混凝土异形柱结构技术规程也极大地推动了钢筋混凝土异形柱在我国的发展与应用。

但是，随着钢筋混凝土异形柱实际工程应用的增多以及对其研究的深入，它的缺点也逐渐暴露出来。异形柱框架结构在应用于高度更高、层数更多的建筑时，受到自身特点的限制。1)异形柱为了和墙体的尺寸一致，柱截面偏小，因而其承载能力就会受到限制，随着高层和超高层建筑的发展，建筑层数的增多，上部荷载的增大，必然会导致柱截面的增大，由于纯粹的钢筋混凝土异形柱的承载力有限，势必要增大钢筋混凝土异形柱的截面来满足工程上对承载力的要求;2)构造复杂，相对普通矩形截面柱，其柱肢较为薄弱，抗震能力相对不足，延性较差，而且翼缘比较窄，容易造成钢筋的拥挤、模板密集、混凝土浇筑困难，从而给施工造成很大的不便;3)异形柱对水平荷载的方向性比较敏感，水平荷载作用方向的不同会导致结构的承载力存在较大差异，而且设计计算时，结构的扭转不好控制;4)为保证柱子的延性要求，需要较大配箍率并严格控制轴压比。因此，我国对异形柱的应用进行了严格控制，JGJ 149-2006混凝土异形柱结构技术规程指出异形柱结构体系主要使用于多层框架，房屋的适用高度不大于表1的规定限值。

正是由于以上的原因，钢筋混凝土异形柱在高层建筑及地震高烈度设防区的应用受到极大的限制。

4 钢筋混凝土异形柱的发展方向

钢筋混凝土异形柱结构体系以其良好的经济、社会及环境综合效益，在国内各地逐步得到发展，尤其是国家规定禁用烧制粘土砖后，异形柱结构体系的应用更加受到关注，在国内各地发展势头强劲。然而由于钢筋混凝土异形柱自身的特点，使得异形柱的优点无法体现。为了使异形柱框架结构体系能够在高层和超高层建筑中进一步推广应用，关键就在于如何在不显著增大柱截面的情况下，提高柱的承载力来满足实际工程中的需要。钢管混凝土很好的解决了这一点。

钢管混凝土异形柱中钢管和核心混凝土共同承受轴向荷载，钢管同时为核心混凝土提供侧向约束作用，使得异形钢管混凝土组合柱兼备了钢管混凝土柱和钢筋混凝土异形柱的优势，即承载力高、刚度大、塑性和韧性好、抗冲击和抗疲劳性好以及抗震性能佳等特点。同时异形钢管混凝土组合柱有效地克服钢筋混凝土异形柱的大配箍率和低轴压比的限制，有利于高强混凝土在住宅建筑中的应用。异形管混凝土柱有着很好的发展前景，而异形钢管混凝土柱的各种性能还有待进一步研究，许多构造措施及计算方法尚需不断改进与完善。

[1]Joaquin Marin.Design Aids for L-Shape Reinforced Concrete Column[J].Journal of the American Concrete Institute，1979，76(11):26-31.

[2]Cheng-Tzu，Thomas Hsu.T-shaped Reinforced Concrete Members under Biaxial Benging and Axial Compression[J].ACI Structural Journal，1989，86(4):460-468.

[3]异形柱框架结构研究鉴定材料之五.钢筋混凝土异形柱框架节点性能试验研究[D].大连:大连理工大学，1993.

[4]曹万林，樊 太，张维斌，等.异形截面钢骨混凝土柱抗震性能试验研究[J].世界地震工程，2004(19):98-100.

[5]阙良刚.钢骨异形柱的试验研究[D].西安:西安理工大学，2005.

[6]郭 波，吴海容.钢筋混凝土异形柱在结构设计中的应用探讨[J].山西建筑，2006，32(9):45-46.