浅谈异形柱结构的性能研究

(华北理工大学 河北 唐山 063000)

生活水平的不断提高，也就带动着人们对家庭生活环境要求的提高。人们对房屋的要求已经不仅仅是美观，增大房屋的使用面积和使用净空的要求也变得越来越重要。异形柱结构在满足用户对审美和空间的需求的同时，而且还具有减轻结构自重、保温隔热性能好及劳动成本低的优点，这是矩形柱结构不具有的。但是在异形柱研究中发现了很多缺点，T形、L形柱截面由于不对称性可能导致构件强度、刚度、延性等抗震性能不对称性。由于异形柱剪力中心与截面中心不容易重合会导致翘曲应力的产生，而且变形能力低、延性差是异形柱很明显的缺陷。异形柱混凝土保护层脱落使得截面削弱较之方形柱更为严重是因为异形柱的周长比同等面积的方形柱周长更大。本文在综合介绍钢筋混凝土异形柱结构研究背景的基础上，同时指出了钢筋混凝土异形柱结构研究领域一些有待进一步解决的问题，为该领域的深入研究及钢筋混凝土异形柱结构的设计应用提供参考。

一、描述国外异形柱结构的发展情况

早在20世纪70年代，美国学者Joaguln Marin就提出了一套供结构设计师使用的计算图表。这套图表是他通过钢筋混凝土L形短柱的全过程分析和大量实验和理论分析获得的。美国学者 M.Kawakami和 Dundar c.Sahin B研究和分析了使用预应力钢筋和普通钢筋的双轴偏置任意截面的钢筋混凝土柱的开裂和极限强度的应力状态。同时，给出了非对称截面钢筋相关曲线和异形柱的最小配筋率，保证了在结构构件安全的前提下对构件进行经济控制。Hsu.Cheng-Tzu Thomas对钢筋混凝土柱进行了大批的实验和理论研究，这些钢筋混凝土柱在不同的方向上具有不同的横截面。分别由普通混凝土，高强度混凝土和粉煤灰混凝土制成。最后，根据实验数据和相关理论，总结了强度相关曲线和荷载等值线图，提出了不同截面形式的柱子统一设计方法。在某些建筑物的角落设计的横截面构件，桥墩和水坝将产生一些特殊形状的横截面是一些国外学者的主要研究对象。尽管从20世纪80年代中期到90年代初期对特殊形状横截面的部件性质的研究是广泛的，但它并不是关于不规则形状截面抗弯实验研究和理论分析的关键。

二、国内异形柱结构发展现状

异形柱结构的研究已逐渐成为混凝土结构领域的热门课题。自20世纪80年代中期以来，在钢筋混凝土异形柱构件和空间整体结构领域进行了大量的实验研究。有天津大学，北京科技大学，大连理工大学，同济大学，东南大学等一批高等院校。并取得了很多宝贵的研究成果。

1995年10月，广东省建委根据该地区的科学发现和工程实践，编制了中国第一个异形柱设计规范。钢筋混凝土异形柱设计规范(DBJ/T15-15-95)(广东省《规范》)。广东省《规范》首先作了比较系统的总结，对推动异型柱结构的应用起到了积极作用。尽管广东的“程序”为异形柱的设计提供了一定的依据，但将其应用于实际工程中是非常不方便的。随着近年来对异形柱结构的更广泛和深入的研究，广东省《规范》的理论缺陷越来越明显。

对异形柱的研究在天津有着更加曲折的体验。异形柱结构体系已成为其主要结构体系之一。国内异形柱结构体系发展迅速的原因在于其综合的社会，经济和环境效益。这使得异形柱结构体系在国内各个地区的应用变得非常迅速，尤其以往建筑中常用的烧制粘土砖在国家宣布禁用之后，受到了更加广泛的重视。目前在我国许多省市地区己有很多的实际应用，甚至在8度地震设防区也得到相当程度的应用。特别是近年来由于城市用地稀缺和土地价格高涨，最适合多层高层建筑的异形柱结构。因此，我国一定会加大力度发展异形柱结构体系。

三、现阶段存在的问题和前景展望

异形柱结构的相关行业标准对异形柱轴压比限值、构件高度有着严格的要求，虽然现在国内外在异形柱结构抗震性能方面的研究己经取得了很多成果，但相关试验研究仍然表明钢筋混凝土异形柱抗震承载能力及变形能力较差。这就限制了异形柱结构体系在高层住宅结构中的应用，所以对于如何使其广泛应用在高层结构中仍有待于进一步研究。而且异形柱结构节点抗剪性能比较弱，在地震作用下很容易造成节点处的破坏。目前，许多研究仅仅是对试验过程及现象进行了一些描述与分析，研究深度还是略显不足，更多受力特点与抗震性能还有需要深入研究。

钢筋混凝土异形柱结构住宅结构体系虽然具有广泛的应用前景。但是通过不断的研究表明混凝土异形柱之所以在工程应用中遭到限制是由于其承载力偏低、轴压比限值严格、耗能和延性等抗震性能不理想。针对以上问题，为了能够较好的弥补混凝土异形柱结构的不足研究人员提出了型钢混凝土异形柱结构，型钢混凝土异形柱是通过在异形柱角部与端部设置核心型钢混凝土暗柱形成的，这样的结构可以有效提高异形柱的轴压比限值、改善异形柱结构延性、提高抗震承载能力。同时，为了使异形柱形状设计更加灵活、方便，可以通过设置与异形柱形状相协调的核心型钢截面形式。因为截面比较复杂钢骨混凝土异形柱结构作为一种新型的结构在实际应用中还有很多函待解决的问题，对它的试验研究、理论研究和计算方法还处于摸索阶段。

灵活的空间布局、较大的使用面积和美观的室内环境有机地结合起来使异形柱结构得到广泛的应用，不仅为用户提供理想的居住环境，就其带来的经济效益、社会效益来讲还能促进新型轻质墙体材料，新型住宅的开发等工作，异形柱结构体系的推广将给建筑行业带来巨大的变化。