鋼管-混凝土異形柱在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用研究

李長輝，李自林

(1.中國民航大學(xué) 機(jī)場學(xué)院，天津市津北公路2898號(hào) 300300；2.河北水利電力學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在許多建筑中得到了應(yīng)用，但由于鋼筋混凝土立柱力學(xué)性能的限制，對(duì)于高層結(jié)構(gòu)特別是超高層結(jié)構(gòu)其截面往往偏大，使得墻柱相連處柱子外凸，減小了建筑物室內(nèi)使用面積，同時(shí)使得室內(nèi)裝飾布置受限，影響視覺審美。

針對(duì)鋼筋混凝土柱截面大的缺點(diǎn)，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)立柱的受力特性學(xué)者們提出了鋼管混凝土柱的概念。關(guān)于鋼管混凝土異形柱，許多學(xué)者開展了理論研究。董建軍[1]通過對(duì)于小高層住宅鋼異形柱支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，確定異形柱及支撐的布置方案，對(duì)異形柱和鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)選用4種方案進(jìn)行有限元分析，給出各種連接方式下的內(nèi)力及位移的比較結(jié)果。武海鵬[2]基于鋼管混凝土“統(tǒng)一理論”成果及部分試驗(yàn)結(jié)果,研究鋼管混凝土柱截面形狀由三角形、正方形……正n邊形到圓形變化時(shí)，鋼管對(duì)混凝土約束效應(yīng)的變化規(guī)律。王冬娜[3]首先闡述了鋼管混凝土異形柱的形式及優(yōu)勢,在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼管混凝土異形柱的力學(xué)性能及抗震性進(jìn)行了論述。鞏牧華[4]選取鋼筋混凝土異形柱框架、型鋼混凝土異形柱框架和鋼管混凝土異形柱框架，采用有限元分析軟件OpenSees對(duì)三者進(jìn)行Pushover分析，結(jié)果表明：型鋼混凝土異形柱框架和鋼管混凝土異形柱框架較鋼筋混凝土異形柱框架在承載能力和位移延性等方面有較大提高。周鳳勤[5]根據(jù)鋼筋混凝土梁理論，給出了十字形截面鋼管混凝土異形柱正截面承載力的計(jì)算方法。陳海彬[6]以鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)原理作為依據(jù)，給出了L形截面鋼管混凝土異形柱正截面的非線性分析方法。

另外還有一些學(xué)者針對(duì)鋼管混凝土異形柱開展了試驗(yàn)研究，如殷飛[7]設(shè)計(jì)并制作了5個(gè)1/30縮尺多腔鋼管混凝土異形柱模型試件，采用擬靜力試驗(yàn)方法,對(duì)各試件的破壞特征、滯回性能、承載力、剛度退化、延性以及耗能能力進(jìn)行研究。王玉銀[8]進(jìn)行了3根T形柱的壓彎滯回性能試驗(yàn)研究，探討了各類試件的破壞模式和滯回力學(xué)性能，分析了鋼筋加勁肋的作用機(jī)理以及鋼管對(duì)混凝土的約束效果。李泉[9]以試件長度、偏心距、偏心方向?yàn)樵囼?yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)9個(gè)不同長細(xì)比的T形方鋼管混凝土組合異形柱試件進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，觀察試件的破壞形態(tài)，得到荷載-應(yīng)變曲線和荷載-撓度曲線,并分析各參數(shù)對(duì)試件偏心受壓性能的影響。吳一然[10]對(duì)3個(gè)T形鋼管混凝土異形柱和工形鋼梁節(jié)點(diǎn)(一個(gè)試件為全焊接節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)為栓焊混接節(jié)點(diǎn))進(jìn)行反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了節(jié)點(diǎn)在反復(fù)受力過程中的變形特征、承載力退化及能量消耗的能力，研究結(jié)論表明T形鋼管混凝土異形柱和工形鋼梁節(jié)點(diǎn)的滯回性能和耗能能力，以及焊縫質(zhì)量對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力、變形能力和耗能能力都有重要影響。

通過許多學(xué)者的研究，證明了鋼管混凝土柱子在建筑結(jié)構(gòu)中的優(yōu)越性，使得這種類型的柱子已經(jīng)在許多工程中得到了應(yīng)用，特別是在超高層建筑中，鋼管混凝土異形柱得到了廣泛應(yīng)用，如北京財(cái)富二期辦公樓、大連國貿(mào)中心大廈、天津117大廈、北京中國尊大廈等工程。結(jié)合實(shí)際用鋼量并匹配建筑平面設(shè)計(jì)，鋼管混凝土建筑中的邊柱、角柱和中柱可以采用L形、T形和十字形異形柱。

通過對(duì)于鋼管混凝土異形柱研究成果的分析可知，大多數(shù)學(xué)者都是集中于對(duì)其設(shè)計(jì)階段受力性能的考慮，而對(duì)于在既有普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用鋼管混凝土異形柱代替其混凝土立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究很少。因此，本文以一棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合鋼管混凝土柱受力性能好，截面尺寸小的特點(diǎn)，利用其優(yōu)化鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，以增加室內(nèi)使用面積，為相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論支撐。

1 工程背景

某大廈，地上1-2層為自行車庫，地上3-10層為辦公區(qū)，地下一層為自行車庫，該結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，原有立柱設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上墻體，外墻填充墻為250mmB06級(jí)加氣混凝土砌塊墻，內(nèi)墻填充墻為蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土板材，厚度為200mm、100mm。結(jié)構(gòu)原有立柱為矩形鋼筋混凝土柱，截面尺寸分別為500mm×500mm,700mm×700mm,600mm×600mm,700mm×800mm等幾種尺寸，由于墻柱相連處出現(xiàn)較大陽角，使得室內(nèi)使用面積減小、裝飾布置受限，并且影響視覺審美要求，所以擬采用箱型鋼管混凝土異形柱等效代替原鋼筋混凝土柱。

2 截面擬定

《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)[11]4.2.5條規(guī)定，鋼管混凝土構(gòu)件的截面剛度計(jì)算公式為：

EA=EsAs+EcAc

EI=EsIs+EcIc

GA=GsAs+GcAc

式中：EA為鋼管混凝土柱的組合軸壓剛度；EI為鋼管混凝土柱的組合抗彎剛度；GA為鋼管混凝土柱的組合剪切剛度；Es，Ec為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的彈性模量；Gs，Gc為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的剪變模量；As，Ac為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的截面面積；Is，Ic為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的截面慣性矩。

結(jié)合原有混凝土立柱的結(jié)構(gòu)尺寸，在滿足結(jié)構(gòu)受力的條件下，現(xiàn)擬定2種不同方案的鋼管混凝土異形柱尺寸，如表1、圖1和圖2所示。鋼管混凝土異形柱外圍鋼板采用Q345鋼，厚12mm，內(nèi)部填充C40混凝土。

表1 鋼筋混凝土柱及相應(yīng)等效鋼管混凝土異形柱初定截面形式及尺寸(mm)Tab.1 Initial section form and size of reinforced concrete columns and corresponding equivalent special-shaped columns(mm)

3 模型的建立

某大廈初始設(shè)計(jì)為小震彈性，參照《鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]取結(jié)構(gòu)層間位移角1/550。使用箱型鋼管混凝土異形柱等效替換時(shí)，參照《鋼管混凝凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，小震彈性取結(jié)構(gòu)層間位移角為1/300。由于結(jié)構(gòu)首層層高最大(4000mm)、長細(xì)比最大，按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性最不利，所以計(jì)算模型取首層柱。軸向荷載選取初始設(shè)計(jì)中首層柱子軸向力最大值N，水平向荷載以層間位移角控制。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 柱子計(jì)算模型Fig.3 Column calculation modelΔ/2=θ×L/2=2000/300=6.77mm

由于梁柱剛接的框架產(chǎn)生水平位移后，柱子中點(diǎn)及梁中點(diǎn)處為反彎點(diǎn)，所以取框架柱的一半作為最終計(jì)算模型，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，模型如圖4所示。模型頂部鉸接、底部為固定端；層間位移角θ達(dá)到1/300時(shí)，對(duì)應(yīng)模型頂部位移：

(a)十字形截面 (b)L形截面 (c)T形截面

(a)L形截面 (b)T形截面 (c)十字形截面

(a)軸測圖

(b)平面圖圖4 計(jì)算模型Fig.4 Calculation Model

4 模型分析

利用有限元軟件對(duì)各鋼管混凝土異形柱進(jìn)行計(jì)算，各計(jì)算模型的軸向力以壓強(qiáng)的形式均勻施加在柱中截面上，分別考慮在等效后T形、L形、十字形3種截面形式異形柱的弱軸加載產(chǎn)生彎矩，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

(a)十字形 (b)L形 (c)T形

(a)十字形 (b)L形 (c)T形

通過對(duì)各柱子的應(yīng)力進(jìn)行分析可以知道：

(1)繞柱截面弱軸產(chǎn)生彎矩時(shí)，各異形柱最大應(yīng)力均發(fā)生在柱子底部，外鋼管底部離中和軸最遠(yuǎn)的受壓面屈服，甚至曲屈變形；

(2)對(duì)于十字形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應(yīng)力為342.5MPa，方案2最大應(yīng)力為232.3MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應(yīng)力；

(3)對(duì)于L形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應(yīng)力為280.4MPa，方案2最大應(yīng)力為287.5MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應(yīng)力；

(4)對(duì)于T形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應(yīng)力為288.7MPa，方案2最大應(yīng)力為281.6MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應(yīng)力。

5 鋼管壁厚參數(shù)分析

在鋼管混凝土異形柱設(shè)計(jì)中，鋼管壁厚是一個(gè)重要的參數(shù)，因此，結(jié)合上述兩方案計(jì)算結(jié)果，取方案1的L形鋼管混凝土異形柱，方案2的十字形鋼管混凝土異形柱和T形鋼管混凝土異形柱，進(jìn)一步研究鋼管壁厚對(duì)異形柱受力性能的影響。

針對(duì)異形柱的鋼管的壁厚取8mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm和20mm進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7。

圖7 各鋼管混凝土異形柱應(yīng)力與鋼管壁厚關(guān)系圖Fig.7 Relationship between stress of concrete filled steel tubular special-shaped column and wall thickness of steel tube

通過對(duì)各柱子的應(yīng)力進(jìn)行分析可以知道：

(1)十字形、L形和T形鋼管混凝土異形柱的最大應(yīng)力與鋼管壁厚有關(guān)系，均隨著壁厚的增加而減??；

(2)十字形鋼管混凝土異形柱最大應(yīng)力，隨著壁厚的增加非線性減小，且隨著壁厚的增加減小趨勢逐漸變小；

(3)對(duì)于L形鋼管混凝土異形柱最大應(yīng)力，隨著壁厚的增加基本呈線性減?。?/p>

(4)對(duì)于T形鋼管混凝土異形柱最大應(yīng)力，隨著壁厚的增加基本呈線性減小。

6 結(jié)論

通過對(duì)鋼管混凝土異形柱代替既有設(shè)計(jì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)立柱的受力分析，可以知道：

(1)采用的等效箱型鋼管混凝土異形柱滿足結(jié)構(gòu)小震彈性的設(shè)計(jì)要求；

(2)在層間位移角達(dá)1/300時(shí)，除柱底部屈服及曲屈變形外，柱子主體保持彈性狀態(tài)，對(duì)曲屈變形可按本文給出的構(gòu)造形式予以解決；

(3)在層間位移角達(dá)1/300時(shí)，模型內(nèi)澆混凝土有一定的塑性損傷，但在三向受壓下，實(shí)際混凝土強(qiáng)度會(huì)提高很多，由于本模型計(jì)算未考慮此作用，所以結(jié)果偏于保守。