鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系的研究現(xiàn)狀淺析

趙謙（山東省泰安市建設(shè)局山東271000）

陳云霞 趙艷靜（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津300072）

鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系的研究現(xiàn)狀淺析

趙謙（山東省泰安市建設(shè)局山東271000）

陳云霞 趙艷靜（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津300072）

由異形柱或主要由異形柱組成的框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)即為異形柱結(jié)構(gòu)。綜合分析了異形柱構(gòu)件（包括正截面承載力、斜截面承載力、節(jié)點(diǎn)承載力及截面延性性能）和異形柱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，以供設(shè)計(jì)人員參考。

鋼筋混凝土異形柱形柱結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土異形柱是指截面形狀為“L”形、“T”形和“十”形的柱子，由于其肢厚與墻等厚，避免了傳統(tǒng)框架矩形柱在屋角凸出，增加了房間有效使用面積，改善了建筑觀瞻和使用功能，因而受到住戶及房地產(chǎn)開發(fā)商的歡迎。由異形柱或主要由異形柱組成的框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)即為異形柱結(jié)構(gòu)。

近年來，國家對異形柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展給予了充分的重視，在國務(wù)院及建設(shè)部有關(guān)住宅結(jié)構(gòu)體系發(fā)展方向的一系列指導(dǎo)性文件中，多次提到鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系，可見，在住宅建筑中發(fā)展鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系，符合國務(wù)院及建設(shè)部提出的住宅建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向。

1 異形柱構(gòu)件的試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀

1.1 異形柱正截面承載力的試驗(yàn)研究和配筋設(shè)計(jì)方法

由于異形柱截面形狀是不規(guī)則的，因此一般情況下異形柱截面產(chǎn)生雙向彎曲，應(yīng)按照雙向偏壓構(gòu)件來研究其正截面承載力。

國內(nèi)外學(xué)者對異形柱在雙向偏心壓力作用下受力性能的研究始于20世紀(jì)60年代，后來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，才有了較快的發(fā)展。國外對異形柱的試驗(yàn)研究較少，主要是利用計(jì)算機(jī)分析研究了異形截面雙向偏壓柱的承載力性能。而國內(nèi)的天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等單位的學(xué)者針對異形柱雙偏壓正截面承載力變化規(guī)律開展了大量的試驗(yàn)及深入的理論研究工作，取得了很多有價(jià)值的結(jié)論。主要有：①異形柱從開始加載到構(gòu)件破壞，其截面應(yīng)變基本符合平截面假定。②可分為大偏壓、小偏壓及界限偏壓3種破壞形態(tài)。③異形柱的正截面承載力有自己的特色，其中截面中和軸一般不與彎矩作用平面垂直，也不與截面邊緣平行，其位置隨截面尺寸、混凝土強(qiáng)度、配筋及荷載角等諸多因素的變化而異。④其正截面承載力除與材料強(qiáng)度、配筋率、截面尺寸有關(guān)外，還與荷載角有關(guān)，隨加載角不同，其承載力差異很大（等肢“十”形截面柱除外），所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)由最不利荷載角方向的承載力控制。⑤暗柱能顯著提高異形柱的承載力等等。

各學(xué)者在異形柱試驗(yàn)及理論分析的基礎(chǔ)上，先后提出了很多截面配筋的計(jì)算方法，為異形柱的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。歸納起來，正截面配筋的計(jì)算方法主要有如下幾類：

1.1.1 數(shù)值積分方法對于異形截面偏心受壓柱來講，由于其截面的不規(guī)則性，國內(nèi)外的學(xué)者們都嘗試通過數(shù)值積分方法，計(jì)算異形柱的配筋或承載力。

1.1.2 簡化計(jì)算方法有的學(xué)者在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，借用雙向偏壓矩形柱正截面承載力中的相關(guān)概念，提出了校核異形柱正截面承載力的類橢圓公式或計(jì)算表格，但不便于在工程設(shè)計(jì)中使用；有的學(xué)者則提出了其他的簡化方法，如廣東規(guī)程的當(dāng)量彎矩法，大連理工大學(xué)提出的矩形截面法、折算截面法，針對“T”形截面柱的綜合法、平面假定法等，但已有文獻(xiàn)分析當(dāng)量彎矩法是不合理的，而后者的簡化方法在某些情況下是不安全的；后來的一些學(xué)者提出了基于數(shù)值積分方法的簡化方法，即通過對工程中常用截面尺寸及配筋情況的大量電算，將其正截面承載力的N-Mx-My相關(guān)關(guān)系制成系列圖、表，或者進(jìn)一步擬合成簡化公式，用以直接查出配筋或進(jìn)行承載力校核。

上述方法已全部或部分反映到CRSC、TAT、SATWE以及廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD等軟件中，從而使異形柱的工程應(yīng)用成為可能。

此外，與矩形柱類似，應(yīng)考慮側(cè)向撓曲對異形柱承載能力的影響，即將軸向力對截面重心的初始偏心矩乘以偏心矩增大系數(shù)。天津大學(xué)通過非線性分析擬合得到了異形柱偏心矩增大系數(shù)的計(jì)算公式。

應(yīng)該說，鋼筋混凝土異形柱正截面承載力的研究已日趨完善。

1.2 異形柱斜截面承載力的試驗(yàn)研究和配筋設(shè)計(jì)方法

天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等對異形柱的受剪承載力進(jìn)行了單調(diào)及反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：“T”形、“L”形截面柱的受剪承載力、受軸壓比、配箍率、廣義剪跨比及反復(fù)加載的影響與矩形柱相近；由于翼緣的有利作用，其極限受剪承載力較矩形柱（其截面尺寸與受力方向的柱肢相同）有所提高；同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各自提出了可供工程設(shè)計(jì)的異形柱受剪承載力計(jì)算公式。

異形柱同樣存在雙向受剪的問題，“T”形、“L”形截面柱的受剪承載力隨水平荷載作用方向而變化，其相關(guān)曲線呈外凸的梅花瓣形，這主要是由于翼緣的作用。為簡化起見，進(jìn)行異形柱某一方向柱肢斜截面受剪承載力計(jì)算時(shí)，可采用現(xiàn)行規(guī)范矩形柱受剪承載力的計(jì)算公式，這是偏安全的。

1.3 異形柱節(jié)點(diǎn)承載力的試驗(yàn)研究和配筋設(shè)計(jì)方法

由于異形柱的肢比較薄，導(dǎo)致異形柱與梁的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)較小，抗剪能力差，從而節(jié)點(diǎn)成為此類結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。為了研究異形柱框架節(jié)點(diǎn)的受力性能、破壞狀態(tài)、延性和滯回特性，天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、沈陽建筑工程學(xué)院、華南理工大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院工程抗震所等單位的學(xué)者先后做了大量的試驗(yàn)及理論分析工作，研究結(jié)果表明：①在整體異形柱框架中的現(xiàn)澆式節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，其受力性能及破壞特征與普通矩形框架現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)類似；②配箍率、軸壓比是影響對異形柱-梁節(jié)點(diǎn)延性和核心區(qū)受剪承載力的重要因素，其影響規(guī)律與矩形柱類似；③在相同條件下，節(jié)點(diǎn)水平截面積相等的“L”形、“T”形、“十”形柱的梁柱節(jié)點(diǎn)承載能力比矩形柱節(jié)點(diǎn)承載能力分別低33%、17.5%和8%左右，這是由于“L”形、“T”形和“十”形柱翼緣均未充分發(fā)揮作用所致；④通過試驗(yàn)研究及非線性有限元分析，提出了符合異形柱框架節(jié)點(diǎn)破壞模式的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式及構(gòu)造措施，并指出三級抗震等級的節(jié)點(diǎn)也應(yīng)予以計(jì)算；⑤各類異形柱節(jié)點(diǎn)梁柱主筋在較大荷載作用下，均有部分鋼筋產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，但能滿足粘結(jié)錨固要求。

1.4 異形柱延性性能的研究

從目前查到的文獻(xiàn)來看，國外對異形柱的延性性能沒有研究過，國內(nèi)天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位的學(xué)者們對“L”、“T”和“十”形柱的延性性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：異形柱隨軸壓比的提高，構(gòu)件的承載力有所提高，但延性降低；暗柱具有明顯的鋼筋混凝土核心約束作用，能顯著提高異形截面柱的承載力和延性。

由于軸壓比是衡量構(gòu)件延性的重要指標(biāo)，因此，有關(guān)異形柱延性性能的理論研究主要集中在如何確定異形柱的軸壓比限值。分析發(fā)現(xiàn)，盡管各位學(xué)者確定的異形柱軸壓比限值各不相同，但其研究思路可歸納為兩類：一是將構(gòu)件的軸壓比限值與構(gòu)件延性掛鉤，通過對異形柱曲率延性的全過程非線性分析，把異形柱軸壓比限值表示成與箍筋直徑、箍筋間距及縱筋直徑比值有關(guān)的值，此確定原則與矩形柱不同；由于異形柱的截面延性隨荷載角不同而相差甚多，因此，為保證異形柱在不利荷載角時(shí)也具有足夠的延性，其軸壓比限值顯著低于矩形柱的軸壓比限值。二是考慮異形柱的特點(diǎn)在矩形柱公式基礎(chǔ)上進(jìn)行折減或采用其研究思路確定異形柱的軸壓比限值，對于異形柱來說，該方法顯然不再適用。

2 鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的抗震性能

隨著異形柱結(jié)構(gòu)體系在地震區(qū)的推廣應(yīng)用，其抗震問題成了國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界比較關(guān)心的問題。為此，近年來中國建筑科學(xué)研究院、天津大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、昆明市建委等單位的學(xué)者從不同角度對鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，這些試驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)各不相同，但卻得到了許多不謀而合的結(jié)論，主要有：①異形柱單榀平面框架或整體空間框架結(jié)構(gòu)，其破壞形態(tài)均屬梁鉸破壞機(jī)構(gòu)，具有良好的抗震性能；②異形柱框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下變形特性介于剪力墻結(jié)構(gòu)和普通框架結(jié)構(gòu)之間，變形曲線呈一定程度的彎剪型；③與矩形柱不同的是，等剛度情況下，由于異形柱的薄弱部位，造成異形柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象比矩形柱明顯，隨著梁端塑性鉸的發(fā)展，異形柱內(nèi)拐角的樓板上表面開裂較嚴(yán)重，宜在異形柱內(nèi)拐角附近呈放射性布置一些板面鋼筋；④填充墻框架的水平承載力比空框架高約25%，耗能能力較強(qiáng)；⑤帶轉(zhuǎn)換層的鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗(yàn)表明，異形柱落在方柱上是可行的，但為穩(wěn)妥起見，宜保證異形柱與方柱的重合面積占異形柱截面面積的70%以上，梁托柱的設(shè)計(jì)是可行的，要保證轉(zhuǎn)換層的正常工作，關(guān)鍵是保證轉(zhuǎn)換層上下層層間剛度的均勻變化及滿足轉(zhuǎn)換層柱的軸壓比限值要求；⑥異形柱框——桁架結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力和變形能力，其屈服破壞機(jī)制是從斜撐→梁→柱，比異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力強(qiáng)，但地震作用和地震內(nèi)力有所增大。

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，很多學(xué)者對異形柱結(jié)構(gòu)的抗震性能做了進(jìn)一步的理論分析，為完善該體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法做了積極的探討。

3 結(jié)語

雖然異形柱截面本身的特點(diǎn)使得鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)存在某些“先天不足”，但只要在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，遵循建筑體型和結(jié)構(gòu)布置的一般原則，揚(yáng)長避短，使異形柱框架能夠在地震作用下形成具有較好耗能能力的梁鉸機(jī)制或介于梁鉸機(jī)制和柱鉸機(jī)制之間的混合機(jī)制，異形柱結(jié)構(gòu)就能滿足地震區(qū)的抗震設(shè)防要求。相信，在眾多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)必將得到更大的發(fā)展。■

2011-03-09