異形柱結(jié)構(gòu)體系綜述

蒙武楠 李文碩 馬旭

【摘 要】異形柱的出現(xiàn)極大的豐富了建筑布局的靈活性，其獨有的柱截面形式多樣、柱肢厚度與墻體等厚、室內(nèi)沒有柱楞突出等諸多優(yōu)點，使得它很快被應用于實際工程。但其“先天”帶來的承載力與抗震性能差使其在推廣使用中具有很大的局限性。本文介紹了混凝土異形柱的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，淺析了目前研究中存在的一些問題，同時提出了今后研究方向并展望了應用前景。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；異形柱；抗震性能

前言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，商品化住宅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為房地產(chǎn)業(yè)不可或缺的一個重要組成部分，擁有一幢滿意的住宅儼然已經(jīng)成為了我國老百姓消費的第一大支出，同時人們對房屋的安全、舒適、布局等方面也有了更高的要求。所以，探索適應我國經(jīng)濟發(fā)展的住宅體系就變成了研究人員亟待解決的問題。我國上世紀曾一度使用多層磚混結(jié)構(gòu)，然而由于其自重大、承載力低以及污染環(huán)境等缺點已經(jīng)被基本淘汰。緊接著，多高層結(jié)構(gòu)由于其更高的土地利用率、自重輕、抗震性能好等諸多優(yōu)點成為了主流結(jié)構(gòu)，在實際工程中很快被推廣應用。

但是，框架或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系層數(shù)較多，為了滿足結(jié)構(gòu)的承載力和延性要求，傳統(tǒng)矩形柱的截面尺寸不得不大于墻體厚度，使得柱子產(chǎn)生柱楞外凸，直接影響居室的使用面積并且影響家具家具布置。基于此，柱肢寬度與墻同厚的 L 形、T形及十字形等異形柱應運而生。使用的靈活性和建筑的美觀性被異形柱有機地結(jié)合起來，為用戶提供舒適的居住環(huán)境，完美解決了柱楞外凸的問題。

1.異形柱研究現(xiàn)狀

早在20世界80年代中期，國外學者就發(fā)現(xiàn)了異形柱有著極大的應用前景并且對其進行了研究，但由于是開拓性探索，研究條件與思路都有一定的局限，當時的僅研究了異形柱構(gòu)件單向和雙向壓彎受力性能。之后，國內(nèi)學者緊跟國際發(fā)展潮流，引進并發(fā)展了異形柱結(jié)構(gòu)，并對新型的異形柱形式展開了研究工作。目前國內(nèi)外異形柱結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土異形柱、鋼骨混凝土異形柱、鋼異形柱與鋼管混凝土異形柱。

1.1鋼筋混凝土異形柱

這是最早形式的異形柱，如前文所述，國外學者早在20世紀80年代就開始了對鋼筋混凝土異形柱的軸心受壓性能和偏心受壓性能的研究，并且提出了計算鋼筋混凝土異形柱承載力的方法 [1]。在上世紀末，國內(nèi)研究人員在國外研究結(jié)果的基礎上，對鋼筋混凝土異形柱進行了進一步的研究，提出了用于鋼筋混凝土異形柱的抗震性能、節(jié)點承載力、截面承載力的設計方法 [2]。

1.2鋼骨混凝土異形柱

由于在研究中發(fā)現(xiàn)了鋼筋混凝土異形柱存在很大缺陷，所以研究人員嘗試在鋼筋混凝土異形柱內(nèi)部設置型鋼來增強其抗震性能，即鋼骨混凝土異形柱。通過在各單肢型鋼之間連接水平和斜向桿，然后澆筑混凝土，包裹型鋼骨架，稱為桁架式型鋼混凝土異形柱 [3]。實驗表明，在內(nèi)部設置桁架體系雖然一定程度上提高了抗震性能，但依然沒有解決鋼筋混凝土異形柱與鋼骨混凝土異形柱抗裂性能較弱的問題。

1.3 鋼異形柱

鋼異形柱是將若干（通常是1-2個）T形截面連接在一個H型鋼截面上，從而組成十字形、 T形、L形柱[4] 。鋼異形柱的出現(xiàn)很大程度上拓寬了異形柱的發(fā)展前景，它的翼緣寬度設置十分靈活，可以隨著建筑墻體厚度的改變而改變，柱的翼緣與框架梁采用剛接的形式，進一步提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼異形柱因其使用靈活、便于施工等優(yōu)點，廣受研究與施工人員推崇，但其梁柱節(jié)點與形心偏離時，受力方向有很大的隨機性，目前也并沒有統(tǒng)一的計算標準，致使計算復雜且給后期分析帶來不小的難度。并且為了防止局部失穩(wěn)，必須提高用鋼量，導致建設成本有較大提高，并不經(jīng)濟。

1.4鋼管混凝土異形柱

鋼管混凝土異形柱是通過在異形鋼管柱中澆筑混凝土形成的。我們在施工中經(jīng)常使用添加加勁肋等方法來提高砼與鋼管的契合度，從而提高工作質(zhì)量。試驗結(jié)果表明[5] ，與鋼筋混凝土異形柱相比，鋼管混凝土異形柱明顯具有更高的承載能力。但是在鋼管內(nèi)部放置加勁肋的工序太過繁瑣復雜，給實際施工帶來很大的不便，所以并不適合推廣應用，假設使用螺栓機械咬合，那么螺母與螺帽在一定程度上也會妨礙墻體的立面效果。

2. 異形柱框架結(jié)構(gòu)研究存在的問題

異形柱框架結(jié)構(gòu)研究目前存在以下幾點問題：

2.1異形柱結(jié)構(gòu)的計算通常使用的方法為有限元分析法，該方法雖然有廣泛的適用性，但不夠系統(tǒng)，理論也不夠完善。

2.2 由于異形柱框架結(jié)構(gòu)是由鋼管、鋼筋、混凝土等許多不同材料及不同構(gòu)件構(gòu)成，且構(gòu)成方式各有異同，所以其傳導力的方式以和整體的受力性能并不能用“1+1=2”的思路來解決，而是要從整體來研究，但目前的研究更多的是局限在了局部性能和單個構(gòu)件。

2.3 目前國內(nèi)各研究機構(gòu)及院校，對異形柱框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能方面的研究大多僅僅是停留在多層結(jié)構(gòu)，對高層結(jié)構(gòu)的研究鮮有涉足，并且得出的結(jié)果通常都是定性分析，并沒能進一步得出更深入的結(jié)論，沒有統(tǒng)一的計算方法，無法形成標準和行業(yè)規(guī)范。

3.結(jié)束語

雖然由于異形柱截面本身的承載力較低，抗震性能較差，導致鋼筋、鋼管混凝土異形柱結(jié)構(gòu)存在某些“先天不足”，但所謂“瑕不掩瑜”，異形柱的優(yōu)越性也是被廣泛認同的，相信隨著眾多科研人員的不斷探索，異形柱的缺點會被逐漸彌補，從而達到地震區(qū)的抗震設防要求，在建設21世紀新型住宅工程中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻：

[1] DEMAGH K， CHABIL H， HAMZAOUI L. Analysis of reinforced concrete columns subjected to biaxial loads [C]//Proceedings of the International Conference on Concrete for Transportation Infrasturcture. Dundee，2005：433-440.

[2] 趙艷靜. 鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系理論與實驗研究[D]. 天津：天津大學，2004.

[3] 陳宗平，薛建陽，趙鴻鐵.低周反復荷載作用下型鋼混凝土異形柱的抗剪承載力分析[J].土木工程學報，2007，40（7）：30-36.

[4] 王明貴，張莉若，譚世友.鋼異形柱彎扭相關屈曲研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2006，21（4），35-37.

[5] 沈炎祖，陳之毅. 矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計施工中的若干問題[C]//第三屆海峽兩岸及香港鋼及金屬結(jié)構(gòu)技術研討會.上海，2001：18-28.