钢—混凝土组合异形柱的研究进展

黄艳艳 温宇平

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)

0 引言

随着社会经济高速发展，物质水平飞速提高，异形结构体系被广泛运用，它功能多、空间大，布局也比较灵活。异形柱是指在结构中部分或者全部采用墙肢高厚比不大于4且与墙同厚的T形(适用于边柱)、L形(适用于角柱)和十字形(适用于中柱)。目前，绝大部分异形结构采用的是钢筋混凝土，由于高层建筑的普及，建筑的层数增多，上部荷载增大，纯粹的钢筋混凝土异形柱肢较薄弱承载力有限，延性较差，使得异形柱的优点无法体现。而钢—混凝土组合异形柱在高层和超高层建筑中慢慢推广使用，是由于它不仅能减少构件截面和钢材用量，也能够提高柱的承载力和抗震性能。钢—混凝土组合异形柱包括钢管混凝土组合异形柱、钢管混凝土组合异形柱和钢骨—钢管混凝土组合异形柱。

1 钢骨混凝土柱组合异形柱

钢骨混凝土异形柱(又称型钢混凝土异形柱)是指在钢筋混凝土异形柱内埋设钢骨，目前钢骨混凝土异形柱主要有空腹式和实腹式两种,常见的截面有T形、L形、十字形，如图1所示。国外针对钢骨混凝土异形柱结构的研究主要集中在日本、欧美等国家，主要是利用计算机来分析构件双向偏压的承载力性能。

国内很多高校的学者对钢骨混凝土组合异形柱做了大量的研究。北京工业大学对比研究了实腹式钢骨混凝土异形截面柱模型和圆形截面柱模型，表明钢骨混凝土异形截面柱的抗震性能比较好。并将其在研究之前就运用到了北京财富中心一期工程中，以实际工程为基础，选择具有代表性的两种钢骨混凝土异形柱，进行低周反复荷载试验，比较其性能。

西安理工大学对加钢骨柱和不加钢骨柱进行试验分析对比研究[2]，得出钢骨异形柱的轴向承载力比较高。文献[3]通过分析在普通钢筋混凝土加入钢骨的受压性能，并对比普通钢筋混凝土柱，表明钢骨混凝土异形柱的塑性要优于普通混凝土异形柱的塑性。

广西大学进行了关于空腹式钢骨混凝土异形柱的正截面承载力的试验研究和分析，并编制了计算钢骨异形柱的正截面承载力的程序[4]。文献[5]也通过在T形截面异形柱柱内布置钢骨，并与普通钢筋混凝土异形柱进行试验对比，表明钢骨混凝土异形柱的承载力、抗震性能和抗剪性能已明显提高。

沈阳建筑大学设计研究了一种新型十字形截面钢骨混凝土异形柱，设置对比组并进行单向偏压试验[6]，得出十字形截面钢骨混凝土柱的承载力明显高于普通混凝土异形柱。并在其受力性能研究的基础上，利用有限元分析软件ABAQUS，模拟受力，绘制出构件的荷载—位移曲线，分析得出：随着混凝土强度和钢骨强度的增大，构件承载力得到提高。

空腹式钢骨混凝土异形柱和实腹式相比，空腹式斜面承载力和抗震性能不好，实腹式钢骨与混凝土之间的粘结性能比较差，而且用钢量大。因此，为了改善钢骨混凝土异形柱的受力性能，南京工业大学提出了一种蜂窝状钢骨混凝土异形柱(如图2所示)，通过试验研究和分析表明：蜂窝状钢骨混凝土异形柱有着良好的力学性能。

2 钢管混凝土组合异形柱

钢管混凝土异形柱(截面形式如图3所示)是在异形钢管中浇筑混凝土形成的构件，为了增强其承载力，可以设置加劲肋和约束拉杆(如图4所示)。国内一些高校的专家学者对于钢管混凝土组合异形柱的性能做了许多研究与分析。

华南理工大学进行试验研究，对比分析带约束拉杆和普通的L形钢管混凝土短柱的轴压承载力得出，设置约束拉杆后的试件的承载力和延性比普通L形钢管混凝土试件均有所提高。同济大学对4个设置加劲肋的和2个非加肋钢管混凝土异形柱进行了轴压试验研究[8]，并结合有限元结果提出了计算L形截面承载力方法和公式。并得出，设置加劲肋对试件承载力影响不大，但对其延性的提高影响明显。

武汉大学提出了一种由方钢管型材组合焊接形成的新型钢管混凝土组合异形柱(如图5所示),在考虑基础参数的基础上，首先对11个T形钢管混凝土组合异形短柱进行轴压试验研究[9]。通过对试件进行静力加载试验，并结合有限元进行模拟分析，建立T形钢管混凝土组合柱的极限承载力和抗剪承载力的计算公式。

天津大学对一种带缀板的新型钢管混凝土组合异形柱(如图6所示)受力性能展开了试验研究[10]和理论分析，总结出了这类异形柱的轴心受压承载力公式。并通过有限元软件ANSYS进行数值模拟计算，对比分析试验结果，并提出异形柱承载力公式。方钢管混凝土组合异形柱也在实际工程例如汶川县映秀镇渔子溪村重建工程、北京顺义区别墅钢结构住宅工程和河北省保定市易水兰亭小区等项目中成功应用。

近几年来，国内高校对钢管混凝土组合异形柱的抗震性能做了比较多的试验研究。兰州大学[10]研究了两种加劲肋的T形钢管混凝土短柱的抗震性能，并利用有限元软件ABAQUS进行模拟计算，对比分析有限元结果和实验结果，提出了适合加劲肋T型钢管混凝土短柱的轴压承载力简化公式。青岛理工大学[11]在SAP2000有限元软件中建立了6组模型来分析钢管混凝土组合异形柱的抗震性能，并比较得出结构在实际过程中满足抗震要求需采用的最佳方式。

华南理工大学利用有限元软件ABAQUS模拟分析L形截面钢管混凝土异形柱不同轴压比下的节点模型的抗震性能[13]，并利用有限元软件ADINA对其结构模型进行静力推覆分析[14]，绘制其荷载位移曲线，得出L形截面异形柱框架的延性较好，抗震性能明显提高。天津大学[15]对方钢管混凝土组合异形柱防屈曲支撑框架的抗震性能进行研究，采用ABAQUS进行数值模拟分析，并验证一榀1∶2的框架模型反复加载试验的试验结果。

3 钢骨—钢管混凝土组合异形柱

钢骨—钢管混凝土异形柱是将钢骨(工字形或十字形)埋入异形钢管混凝土柱而形成一种新型组合柱。在国内高校中，长江大学对内置钢骨的钢管混凝土柱轴心受压力学性能进行试验研究和分析。

以内置钢骨的T形截面钢管混凝土组合柱[16]为研究对象(截面如图7所示)，通过对试件进行轴心受压试验，绘制试件的荷载应变曲线，分析其破坏形态和试验现象，了解影响试件轴心受压力学性能的相关参数。回归分析试验结果，采用叠加理论的方法，综合考虑相关指标变化的影响，同时参考国内外相关规范，提出钢骨—钢管混凝土组合短柱轴心受压极限承载力公式，可供工程设计参考。

以内置钢骨的L形截面钢管混凝土组合柱为研究对象(截面如图8所示)，试件是由一个矩形一个槽形钢管焊接形成的。从试件受力过程和破坏形态可以看出，内置钢骨能够明显提高试件极限承载力和有效的避免混凝土剪切破坏的产生；配骨率和配箍率在一定情况下也影响着试件的轴压性能。在参考国内外相关规范和总结的钢—混凝土组合柱轴压承载力公式的基础上，提出的内置钢骨L形截面钢管混凝土轴心受压稳定性承载力的实用计算公式与试验吻合较好，可供工程设计参考。

以试验参数为基础，分别建立钢管、钢骨和混凝土的有限元理论模型，采用大型有限元软件ANSYS10.0，采用三维实体单元对内置钢骨的组合L形钢管混凝土柱进行了三维建模，通过选取合适的单元和网格划分，进行了较准确的轴心受压力学分析。有限元模拟分析所设计的试件，并对比试验结果表明，两者荷载位移的关系曲线、极限荷载等吻合较好。

4 结语

钢—混凝土组合异形柱是在异形柱、钢混凝土组合柱的应用基础上结合其优点而提出一种结构形式。它的出现，不仅使房间空间大、功能多、布局灵活，还能显著提高其承载力和抗震性能，并且可以应用于多、高层建筑，弥补了普通钢筋混凝土异形柱的缺陷。目前，钢骨—钢管混凝土组合异形柱力学性能、抗震性能的研究和计算理论的完善以及在实际工程中的广泛应用，将是钢—混凝土组合异形柱未来发展的方向。