鋼筋混凝土異形柱結構分析

郭 翔

0 引言

異形柱結構是20世紀中后期被提出的一種經濟型結構形式，其主要應用于框架結構中，將柱隱于墻內，即使用異形截面取代普通矩形柱，使得室內墻面平整，擴大了建筑使用面積，提高了建筑的靈活布置，同時改善了室內空間視覺效果。

1 鋼筋混凝土異形柱的研究現狀

1.1 國外關于鋼筋混凝土異形柱的研究現狀

國外對異性鋼筋混凝土異形柱框架體系的研究工作可追溯到30年前，對鋼筋混凝土異形柱的研究比較全面，涉及T形、L形和十字形等截面。美國學者Joaquin Marin在20世紀70年代就進行了第一根鋼筋混凝土L形短柱的全過程分析，通過大量L形短柱試驗和理論研究，給出了承載力相關曲線[1]。1983年，印度學者L.N.Ramamurthy和 T.A.Hafeez Khan分別對等肢和不等肢 L形截面雙向偏壓柱進行了理論分析和試驗研究。美國學者M.D.Davister于1986年對不規則的雙向偏壓柱進行了理論和試驗研究，提出了兩種簡易的計算分析L形柱的極限承載力的方法。1989年～1993年，美國學者Cheng-Tzu和Thomas Hsu對L形、槽形和T形雙向偏壓柱分別進行了全過程分析，最后歸納出強度相關曲線和荷載等值線，對不同截面形式的柱提出了統一的設計方法，以便設計應用[2]。1992年和1993年，印度學者 MallikarJunal和P.Mahadevappa先后對于雙向壓彎的L形和T形截面的鋼筋混凝土柱利用計算機進行系統的計算分析，并給出相應的圖表和Fortran程序。1996年，印度學者S.N.Sinha對不同截面尺寸和構造配筋的雙向偏壓的十字形柱進行了研究，并繪制出該類雙向壓彎構件的相關曲線，分析了不同配筋形式對承載力的影響。

1.2 國內關于鋼筋混凝土異形柱的研究現狀

國內對鋼筋混凝土異形柱結構的研究開始于20世紀90年代中后期。這期間土木領域各高校及研究所相繼就異形柱課題進行了雙向偏壓和抗震性能的系列研究。1992年～1994年，河北工業大學先后完成了對L形、T形、十字形柱的抗震性能的試驗研究，為進行不同水平地震作用方向下異形柱的抗震性能研究初步奠定了試驗基礎。1993年，大連理工大學對T形、十字形、L形柱進行了雙向偏壓性能的試驗研究。結果表明，異形柱雙向偏壓正截面工作機理與單向偏心受壓構件相似[3]。1995年，華南理工大學與廣東房地產開發設計院合作，對T形、L形柱進行了雙向偏壓試驗研究，并推導出T形、L形正截面承載力的實用計算公式。1995年～2004年北京工業大學曹萬林對L形、T形和十字形截面柱在工程軸方向、垂直于工程軸方向、與工程軸呈45°方向進行了水平周期反復荷載下的試驗研究，研究了暗柱對L形、T形和十字形柱抗震能力的影響，以及鋼骨混凝土異形截面柱的抗震性能[4]。1997年～2002年，天津大學對T形、L形和十字形異形柱進行了一系列試驗研究，在此基礎上，通過計算程序模擬及非線性全過程分析，數值擬合得到偏心距增大系數的統一計算公式。2001年，中國建筑科學研究院對國內外進行過的18根L形偏心受壓柱強度試驗結果進行了統計分析，給出了L形雙向偏壓柱的實用計算公式。2003年，同濟大學研究了Z形、L形和寬肢異形柱在低周反復荷載作用下的抗剪性能。2005年，西安理工大學對6根鋼骨混凝土異形柱、3根T形截面柱、3根L形截面柱和2根普通鋼筋混凝土異形柱、1根T形截面柱、1根L形截面柱做不同軸壓比下承受水平周期性荷載時的對比試驗[5]。

2 鋼筋混凝土異形柱的特點

在很多住宅結構設計中，設計人員往往采用與填充墻同厚的T形、L形、十字形等異形截面混凝土柱，這種做法保證柱肢寬度與墻體厚度相同，避免了矩形柱在室內凸出的缺點，有效提高建筑的使用面積，改善了室內空間的視覺效果，而且提高了建筑功能并使室內布置靈活。異形柱由于是多肢的，其剪切中心有時會在平面范圍內，受力時靠各肢交點處的混凝土協調變形和內力，而由于剛度和應力狀態的影響，使得異形柱較普通截面柱的變形能力較低。同時鋼筋混凝土異形柱屬于薄壁構件，又存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性會降低，其破壞形態有彎曲破壞、小偏心受壓破壞、壓剪破壞等，而影響其破壞形態的因素又較多，軸壓比、配筋率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值、柱凈高與截面肢長比(剪跨比)等都對其有影響[6]。由于其受力性能復雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構造措施來保證其強度和延性。在外力作用下異形截面柱一般會發生雙向彎曲，而截面的特殊性使得墻肢平面內外兩個方向的剛度有很大差別，其各個方向上的承載能力差別也很大。在結構布置時應注意異形柱的設置，宜使整個結構的平面對稱、剛度均勻，避免扭轉作用對結構受力的不利影響，保證結構的整體抗震性。同時可根據結構平面布置和受力特點，在各種結構體系中部分布置異形柱，以充分發揮異形柱在建筑使用上和結構受力上的優點。

3 鋼筋混凝土異形柱的缺點

異形柱在全國各地都有廣泛的應用，建設部頒布的行業標準JGJ 149-2006混凝土異形柱結構技術規程也極大地推動了鋼筋混凝土異形柱在我國的發展與應用。

但是，隨著鋼筋混凝土異形柱實際工程應用的增多以及對其研究的深入，它的缺點也逐漸暴露出來。異形柱框架結構在應用于高度更高、層數更多的建筑時，受到自身特點的限制。1)異形柱為了和墻體的尺寸一致，柱截面偏小，因而其承載能力就會受到限制，隨著高層和超高層建筑的發展，建筑層數的增多，上部荷載的增大，必然會導致柱截面的增大，由于純粹的鋼筋混凝土異形柱的承載力有限，勢必要增大鋼筋混凝土異形柱的截面來滿足工程上對承載力的要求;2)構造復雜，相對普通矩形截面柱，其柱肢較為薄弱，抗震能力相對不足，延性較差，而且翼緣比較窄，容易造成鋼筋的擁擠、模板密集、混凝土澆筑困難，從而給施工造成很大的不便;3)異形柱對水平荷載的方向性比較敏感，水平荷載作用方向的不同會導致結構的承載力存在較大差異，而且設計計算時，結構的扭轉不好控制;4)為保證柱子的延性要求，需要較大配箍率并嚴格控制軸壓比。因此，我國對異形柱的應用進行了嚴格控制，JGJ 149-2006混凝土異形柱結構技術規程指出異形柱結構體系主要使用于多層框架，房屋的適用高度不大于表1的規定限值。

正是由于以上的原因，鋼筋混凝土異形柱在高層建筑及地震高烈度設防區的應用受到極大的限制。

4 鋼筋混凝土異形柱的發展方向

鋼筋混凝土異形柱結構體系以其良好的經濟、社會及環境綜合效益，在國內各地逐步得到發展，尤其是國家規定禁用燒制粘土磚后，異形柱結構體系的應用更加受到關注，在國內各地發展勢頭強勁。然而由于鋼筋混凝土異形柱自身的特點，使得異形柱的優點無法體現。為了使異形柱框架結構體系能夠在高層和超高層建筑中進一步推廣應用，關鍵就在于如何在不顯著增大柱截面的情況下，提高柱的承載力來滿足實際工程中的需要。鋼管混凝土很好的解決了這一點。

鋼管混凝土異形柱中鋼管和核心混凝土共同承受軸向荷載，鋼管同時為核心混凝土提供側向約束作用，使得異形鋼管混凝土組合柱兼備了鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土異形柱的優勢，即承載力高、剛度大、塑性和韌性好、抗沖擊和抗疲勞性好以及抗震性能佳等特點。同時異形鋼管混凝土組合柱有效地克服鋼筋混凝土異形柱的大配箍率和低軸壓比的限制，有利于高強混凝土在住宅建筑中的應用。異形管混凝土柱有著很好的發展前景，而異形鋼管混凝土柱的各種性能還有待進一步研究，許多構造措施及計算方法尚需不斷改進與完善。

[1]Joaquin Marin.Design Aids for L-Shape Reinforced Concrete Column[J].Journal of the American Concrete Institute，1979，76(11):26-31.

[2]Cheng-Tzu，Thomas Hsu.T-shaped Reinforced Concrete Members under Biaxial Benging and Axial Compression[J].ACI Structural Journal，1989，86(4):460-468.

[3]異形柱框架結構研究鑒定材料之五.鋼筋混凝土異形柱框架節點性能試驗研究[D].大連:大連理工大學，1993.

[4]曹萬林，樊 太，張維斌，等.異形截面鋼骨混凝土柱抗震性能試驗研究[J].世界地震工程，2004(19):98-100.

[5]闕良剛.鋼骨異形柱的試驗研究[D].西安:西安理工大學，2005.

[6]郭 波，吳海容.鋼筋混凝土異形柱在結構設計中的應用探討[J].山西建筑，2006，32(9):45-46.