非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱研究現(xiàn)狀分析

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是指在混凝土中配置型鋼(軋制或焊接成型），并且配有一定的受力鋼筋及構(gòu)造鋼筋的結(jié)構(gòu)，是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種主要形式[1]。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼與混凝土的協(xié)同作用充分利用了2種材料的承載能力，具有強(qiáng)度高、剛度大、延性好、施工快的特點(diǎn)，是一種具有優(yōu)異抗震性能的結(jié)構(gòu)體系，而且其耐火性能和耐久性能均優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。并且型鋼混凝土構(gòu)件的受力性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)和普通混凝土結(jié)構(gòu)性能的簡(jiǎn)單疊加。由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，所以其通常用于高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中的壓彎構(gòu)件，在工程實(shí)踐中常用的型鋼混凝土柱的型鋼形式和其在構(gòu)件截面中的位置都是變化的，根據(jù)截面配鋼形式的不同，可以分為對(duì)稱(chēng)截面型鋼混凝土柱和非對(duì)稱(chēng)截面型鋼混凝土柱。國(guó)內(nèi)外對(duì)對(duì)稱(chēng)截面型鋼混凝土柱的理論和試驗(yàn)研究較多，已有相關(guān)規(guī)程可參考，但是對(duì)非對(duì)稱(chēng)截面型鋼混凝土柱，到目前為止相關(guān)研究較少，未見(jiàn)其抗震性能試驗(yàn)研究的相關(guān)報(bào)道。而非對(duì)稱(chēng)截面型鋼混凝土柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常廣泛，其在地震作用下的性能相比對(duì)稱(chēng)截面柱更加復(fù)雜。因此對(duì)不同配鋼形式、不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)、不同軸壓比的對(duì)稱(chēng)截面型鋼混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定其在反復(fù)荷載下的受力特點(diǎn)、截面應(yīng)力和應(yīng)變分布、裂縫開(kāi)展、破壞形態(tài)、變形特征、延性性能，提出合理的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法是緊迫而又頗具重要意義的。研究成果將為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析提供前提條件，以促進(jìn)這種優(yōu)越的抗震結(jié)構(gòu)體系的推廣和應(yīng)用。

1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用

20世紀(jì)初，歐美各國(guó)開(kāi)始對(duì)型鋼混凝土柱進(jìn)行各方面的研究。Burr在1908年做了空腹型鋼混凝土柱的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有了混凝土外殼之后，使得柱子的強(qiáng)度和剛度得到了明顯的提高。加拿大學(xué)者M(jìn)ackay于1920年對(duì)混凝土內(nèi)埋置鋼柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)外包混凝土能與型鋼共同工作。英國(guó)對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，并在此分析的基礎(chǔ)上于1969年將型鋼混凝土柱寫(xiě)入英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范BS449的第3部分，隨后將橋梁中所用到的這種柱寫(xiě)入英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5400的第5部分。后來(lái)歐美各國(guó)學(xué)者對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)做了大量的試驗(yàn)研究，證明型鋼混凝土結(jié)構(gòu)比純鋼結(jié)構(gòu)更具優(yōu)越性，且節(jié)省鋼材，并廣泛用于實(shí)際工程中。簡(jiǎn)而言之，歐美地區(qū)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)用還是比較早而且也是比較廣泛的。

在日本，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和普通混凝土結(jié)構(gòu)并列為4大結(jié)構(gòu)。日本對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究相對(duì)我國(guó)比較早，而且運(yùn)用比較廣泛。在日本發(fā)生的很多大地震中，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物在大地震中幾乎未遭破環(huán)或少量的輕微破壞，這就引起了日本工程界的重視。隨著科學(xué)研究的大量進(jìn)行和工程應(yīng)用的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，這就推動(dòng)了日本對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究。在1951年日本建筑學(xué)會(huì)成立了鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分組，對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)的研究。相隔7年后，1958年制定 《鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)程》，此規(guī)程提出了組合結(jié)構(gòu)承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。后來(lái)，日本就對(duì)實(shí)腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并于1963年第1次修改了1958年制定的 《鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)程》，到1987年，該規(guī)程又先后做了3次修改，基本形成較為完整的設(shè)計(jì)理論和方法。日本是個(gè)地震多發(fā)國(guó)，由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗震性能，這種結(jié)構(gòu)在日本也就得到了大量的研究和應(yīng)用。

在我國(guó)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展比較晚，20世紀(jì)50年代，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，但是在后來(lái)的發(fā)展應(yīng)用中由于過(guò)于追求節(jié)省鋼材，在60年代末幾乎停止使用。80年代以后，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在全國(guó)慢慢被重視起來(lái)。隨后，國(guó)內(nèi)幾所知名高校如西安建筑科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等開(kāi)始對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得出了很多成果。經(jīng)過(guò)幾十年的工程實(shí)踐和深入研究，并參考日本鋼骨混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]，在1998年我國(guó)冶金部頒發(fā)了第1部YB9082-97《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展改進(jìn)，2006年又頒布了YB 9082-2006《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]。目前國(guó)內(nèi)已將這種結(jié)構(gòu)用于各類(lèi)大跨及超高層建筑中。例如上海環(huán)球金融中心底部采用了8根巨型高含鋼量的型鋼混凝土組合柱；北京CCTV大樓也在底部采用了型鋼混凝土組合柱。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)共有33棟超高層建筑局部或全部采用了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，占全部超高層建筑的一半以上。

對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的研究較為成熟，在美國(guó)ACI-318、歐洲Eurocode 4、中國(guó)JGJ 138-2001和YB 9082-2006等相關(guān)規(guī)程中均有詳細(xì)的分析計(jì)算方法可供工程設(shè)計(jì)參考借鑒，然而對(duì)非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱，在很多方面是有待研究與解決的。而且對(duì)非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的，在某些情況下(建筑結(jié)構(gòu)中的邊柱、角柱，帶吊車(chē)廠房的排架柱，橋梁結(jié)構(gòu)中的一些墩臺(tái)等），對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱顯然不能滿(mǎn)足不均勻受力狀態(tài)或平面尺寸的要求，而應(yīng)采用不規(guī)則截面或規(guī)則截面但型鋼不對(duì)稱(chēng)配置的結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的截面形式有T形、L形和十形3種，這是根據(jù)建筑使用功能和建筑設(shè)計(jì)布置的要求而定的，一般角柱為L(zhǎng)形，邊柱為T(mén)形，中柱為十形。

2 非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱研究

與對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的研究相比，非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的研究尚處于起步階段，相關(guān)的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)資料還比較缺乏，現(xiàn)有的研究成果主要為正截面承載力簡(jiǎn)化計(jì)算方法，同時(shí)在相關(guān)文獻(xiàn)中還沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)其抗震性能試驗(yàn)研究的報(bào)道。

目前已有的研究成果包括：Roik和Bergmman[5]提出了一種非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱正截面計(jì)算方法，該方法為一個(gè)簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，是對(duì)CEC（1984）規(guī)程中雙向?qū)ΨQ(chēng)配鋼計(jì)算方法的修正，而且僅考慮了一個(gè)方向?qū)ΨQ(chēng)配鋼的情況，對(duì)于L形、T形等雙向不對(duì)稱(chēng)的情況未提出相應(yīng)的分析；Rotter[6]等提出了彎壓組合下型鋼混凝土柱的彎矩-曲率關(guān)系，但研究中未涉及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；阿里甫江·夏木西[7]等利用非線性推覆分析(Push over）方法分析了型鋼偏心對(duì)型鋼混凝土柱承載力的影響，并分析了當(dāng)型鋼混凝土柱的長(zhǎng)度和荷載作用位置等參數(shù)變化時(shí)，隨著型鋼偏心距的不同，型鋼混凝土柱受力性能的變化情況，找出了型鋼偏心對(duì)整柱承載力影響的變化規(guī)律。

綜上所述，已有的關(guān)于非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的研究?jī)H停留于理論研究的層次，所提出的計(jì)算方法均為簡(jiǎn)化計(jì)算方法，其采用的計(jì)算假設(shè)與實(shí)際受力情況有一定的出入，而且對(duì)于非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱最重要的抗震性能還未見(jiàn)研究。

3 非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱研究有待解決的問(wèn)題

3．1 非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱抗震性能復(fù)雜

非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱抗震性能較復(fù)雜，其在受力后期會(huì)出現(xiàn)明顯的粘結(jié)滑移現(xiàn)象，從而影響構(gòu)件的極限承載力和抗震性能。另一方面，由于橫截面形狀和鋼筋、型鋼配置不對(duì)稱(chēng)，非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱正、負(fù)兩向滯回環(huán)將不對(duì)稱(chēng)，也使得非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱在地震作用下的受力性能更加復(fù)雜。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)非對(duì)稱(chēng)配鋼的型鋼混凝土柱抗震性能的研究還不夠系統(tǒng)，其研究工作主要集中于構(gòu)件定性理論分析，而對(duì)影響非對(duì)稱(chēng)型鋼混凝土柱抗震性能的研究缺乏，影響其破壞機(jī)制的各主要設(shè)計(jì)參數(shù)研究較少，未建立截面形式、配鋼形式、配鋼率、配箍率、軸壓比、剪跨比等因素與非對(duì)稱(chēng)配鋼的型鋼混凝土柱延性和承載能力的相關(guān)關(guān)系，沒(méi)有提出抗震設(shè)計(jì)時(shí)的軸壓比限值，尚不能對(duì)非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的工程應(yīng)用提供直接技術(shù)支持。

3．2 非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱計(jì)算理論不清晰

目前確定型鋼混凝土柱正截面承載力的方法有2類(lèi)：一類(lèi)是計(jì)算機(jī)分析方法，另一類(lèi)是實(shí)用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，如中國(guó)JGJ 138-2001和YB 9082-2006中建議的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，但上述方法還處于理論研究的層次，其計(jì)算理論尚不清晰，未經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

4 結(jié) 語(yǔ)

非對(duì)稱(chēng)型鋼混凝土柱具有承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)普通鋼筋混凝土柱以及鋼柱的不足，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。所以，應(yīng)加快非對(duì)稱(chēng)配鋼的型鋼混凝土柱承載力與抗震性能研究，建立軸心受壓、偏心受壓時(shí)正截面承載力以及水平荷載下斜截面承載力的計(jì)算公式，獲得反復(fù)荷載下非對(duì)稱(chēng)配鋼型鋼混凝土柱的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)，建立延性計(jì)算公式以及軸壓比限值，為其抗震、抗剪計(jì)算提供依據(jù)。

[1]趙鴻鐵．鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu) [M]．北京：科學(xué)出版社，2001．

[2]日本建筑學(xué)會(huì)．鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō) [M]．馮乃謙，葉列平譯．北京：能源出版社，1998．

[3]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(YB 9082-97）[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1998．

[4]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(YB 9082-2006）[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2006．

[5]Roik K，Bergmann R．Design method for composite columns with unsymmetrical cross sections [J]．J Constr Steel Res，1990，15：153-168．

[6]Rotter J M．Rapid exact inelastic biaxial bending analysis [J]．J Struct Engrg，ASCE，1985，111(12）：2659-2674．

[7]阿里甫江·夏木西，張德娟．型鋼混凝土柱的非線性推覆分析原理 [J]．新疆大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（1）：121-126．