異形鋼管混凝土柱研究綜述

蘇忍 劉光燁 楊遠龍

異形柱框架結構和傳統框架結構相比能有效地改善建筑內部的使用空間，但其抗震性能的嚴格要求限制了在高設防烈度地區的推廣和應用。近年來異形鋼管混凝土柱由于改善了抗震性能，逐漸得到重視。文章總結了異形鋼管混凝土結構的研究和應用現狀，分析了異形鋼管混凝土柱構件、節點、體系的靜力性能和抗震性能的優勢，揭示了異形鋼管混凝土柱力學性能主要因素的影響規律，對其力學性能進行了評價。最后對異形鋼管混凝土柱在今后的研究方向和發展趨勢進行了總結。

1、引言

隨著國內高層建筑如雨后春筍般拔地而起，異形柱由于其在建筑功能方面的優越性而被廣泛采用。異形柱結構體系提高了房屋的實用性和美觀性，室內分隔靈活多樣，避免了普通矩形框架結構存在柱角外露的缺陷，便于家具布置，改善室內觀瞻。隨著經濟的發展，人們生活水平的改善，具有廣闊的發展前景。

然而，鋼筋混凝土異形柱在研究、推廣以及實際工程應用中暴露出一些問題：對水平荷載的方向性非常敏感，荷載作用方向不同，構件及體系的承載力存在較大差異，設計時需取最不利的荷載作用方向；為保證柱子延性要求，需較多的配置箍筋并嚴格限制軸壓比；異形柱現場澆筑復雜，梁柱節點配筋較多，混凝土澆筑質量難以保證；節點截面較小，抗剪承載力有時難以滿足要求，在高層建筑及高烈度地震區的應用受限，存在很大的局限性[1]。（《混凝土異形柱結構技術規程JGJ149-2006》對異形柱結構房屋使用最大高度給出了嚴格的限制，（見表1）明顯小于方、矩形柱的適用高度（見表2），比如7度（0.15g）情況下，異形柱框架結構適用的房屋高度為18m，框架剪力墻結構為35m，而方、矩形柱框架結構的適用高度為50m，框架剪力墻結構為120m，遠遠大于異形柱結構的房屋適用高度）因此要使異形柱結構得到更為廣泛的應用，在層數更多的建筑以及抗震烈度更高的地區得到推廣，必須研究如何在不顯著增大柱截面的情況下提高柱子承載力、剛度及抗震性能[2]。

由于鋼管混凝土柱抗震性能優越，于是異形鋼管混凝土柱便應運而生。異形鋼管混凝土柱（截面形式如圖1所示）就是將混凝土灌入由鋼板焊接而成的異形鋼管中，使鋼管與核心混凝土共同承受荷載，同時鋼管對混凝土的套箍作用約束核心混凝土的橫向變形，提高了混凝土的抗壓強度，改善了混凝土的延性性能，進而使得異形鋼管混凝土柱的抗震性能遠遠優于普通異形鋼筋混凝土柱的抗震性能。本文基于國內外專家學者對異形鋼管混凝土柱的前期研究工作，對其進行分析匯總，多方面介紹了有關異形鋼管混凝土柱的力學性能和抗震性能及工程應用現狀，總結了異形鋼管混凝土柱今后的研究方向和發展趨勢。

2、異形鋼管混凝土柱

研究現狀及分析

在我國，圓形、方形和矩形鋼管混凝土規程已出臺，但對異形鋼管混凝土研究較少。主要局限于哈爾濱工業大學、同濟大學、華南理工大學、西安建筑科技大學、天津大學等一些高校的專家學者關于異形鋼管混凝土柱的軸壓性能、偏壓性能、抗震性能、延性性能、滯回性能、節點的力學性能等方面的試驗研究以及相當的理論分析，已經有了一定的研究成果，但目前的研究成果還不夠系統和成熟。

華南理工大學對帶約束拉桿的T形、L形鋼管混凝土柱的軸壓性能進行了試驗研究，對構件的受力過程進行有限元分析，分析帶約束拉桿異形鋼管混凝土柱的受力機理，提出帶約束拉桿異形柱的軸心受壓承載力和偏心受壓承載力的計算方法[3-5]。得出以下幾點比較有意義的結論：沒有約束拉桿的異形鋼管混凝土柱，鋼管對核心混凝土盡管有約束作用，但并不十分明顯，在達到承載能力極限狀態時鋼管已經發生外部鼓曲，鋼管的強度在未能充分發揮之前，試件即發生破壞，所以柱子的強度提高并不顯著；約束拉桿對鋼管有明顯的約束作用，延緩鋼管局部屈曲，改善內部混凝土的受力狀態，提高混凝土的承載力，延性也得到很大提高，且約束拉桿布置的越緊密，對異形鋼管混凝土柱的有利作用越明顯。異形鋼管混凝土柱受力不均勻，因而剛度要小于普通方、矩形截面柱。

除此之外，同濟大學的沈祖炎等，同濟大學的呂西林，王丹及哈爾濱工業大學的楊遠龍等，分別就異形鋼管混凝土柱的軸壓承載力和構件與節點的抗震性能進行了研究。他們在異形鋼管混凝土柱方面的研究，為我們進一步了解和研究異形鋼管混凝土柱提供了寶貴的資料。

3、異形鋼管混凝土柱應用現狀

關于異形鋼管混凝土柱在我國的應用，這里必須提及一種高層建筑施工的方法—逆作法，它是高層建筑施工中比較先進的施工技術，可以明顯縮短施工工期。其施工工序如下：首先開挖基坑，以地下建筑物軸線或其他支撐墻體為基礎，設置支護結構，然后打樁并澆筑承壓柱，完成地面一層樓板面的施工之后，以地面一層樓板面作為支撐地下和地面以上同時開始施工。地下施工是從樓板面兩側向下開挖土方，并逐層澆筑混凝土，直至封底。與此同時，地上部分也逐層向上施工，直至工程結束。正是因為這樣地下地上同時反方向施工，所以大大縮短了施工工期，有利于提高工程的綜合經濟效益[6]。

1998年，廣州新中國大廈首次采用了異形鋼管混凝土柱（圖2）。該工程地下室占地7340m2，地下5層，地上51層。為做到全方位逆作法施工，地下室的核心筒剪力墻先不施工澆筑，設計中利用布置在核心筒剪力墻相交和轉角等位置處的帶約束拉桿異形（矩形、L形及T形）鋼管混凝土柱作為臨時支撐，地下室施工時再補上所缺的墻段就成為完整的筒體。由于設有橫向約束拉桿，顯著提高了異形鋼管混凝土柱的延性和承載力，解決了其鋼管壁側向變形大的問題，同時增加了建筑的使用面積；帶約束拉桿異形鋼管混凝土柱與梁的節點連接進行了改進，使之構造更簡單、受力更明確、施工更方便并且造價相對較低[7-10]。

此外，異形鋼管混凝土柱也在江門中旅大廈、廣州名匯商城、廣州百貨大廈新樓和廣州名勵大廈等高層建筑的建設過程中得到了成功應用。在我國5.12大地震災后的重建工程中，方鋼管混凝土異形柱結構作為一種新型結構在映秀鎮漁子溪村的建設中得到了應用。方鋼管混凝土異形柱是通過綴條或綴板連接單根鋼管混凝土柱構成的，其截面形式如圖3所示[11]。

4、異形截面鋼管混凝土柱

靜力性能的研究

目前對異形截面鋼管混凝土柱靜力性能的研究尚不充分，主要集中在以下幾個方面：軸壓偏壓承載力研究，穩定性研究等。同濟大學的呂西林，王丹[12]對T形和L形鋼管混凝土柱進行了低周反復荷載下的擬靜力試驗。試驗中考慮了軸壓比、鋼管壁厚、混凝土強度等級對T形、L形鋼管混凝土柱延性和極限承載力的影響。得出以下結論：L形、T形柱由于腹板受壓造成鋼板外鼓明顯以致開裂，鋼板屈曲部位出現混凝土壓碎現象，造成鋼管混凝土異形柱承載力下降；T形鋼管混凝土柱隨軸壓比增加，極限荷載提高的幅度減小；L形柱極限承載力隨軸壓比增加而下降；鋼管壁厚增加導致構件極限荷載和延性性能隨之提高；兩柱的延性都與軸壓比負相關，即軸壓比越大，構件的延性越差；混凝土強度等級提高對極限荷載增加很明顯，而內部混凝土強度等級的變化對延性的作用效果不是十分顯著。

同濟大學的陳之毅、沈祖炎進行了軸壓承載力L形鋼管混凝土短柱的試驗研究，分別制作了1根L形空鋼管短柱作為對比試件，對6根L形鋼管混凝土柱進行了軸壓試驗。影響試件的參數因素主要是寬厚比、肢長和有無加勁肋；最后分析和計算了鋼管混凝土柱L形截面極限承載力，主要得出如下結論：短肢L形鋼管混凝土柱屬于壓皺破壞，破壞時在柱高中部形成多個峰波；而長肢L形鋼管混凝土柱破壞多發生在端部，變形發展不充分；加勁肋可提高短肢柱的延性，對長肢柱軸壓承載力和延性無明顯作用；L形截面鋼管混凝土柱繼承了鋼管混凝土柱的特性，提高了試件的承載力和穩定性；鋼管對提高短肢L形鋼管混凝土柱的承載力作用顯著，但對長肢柱沒有明顯影響。

武漢大學的杜國鋒[14]等在考慮肢寬、肢厚、腹板寬度和管壁厚度等參數的基礎上，對組合T形鋼管混凝土柱軸心受壓性能進行研究，通過軸心受壓試驗，考察試件的破壞形態，測得試件的荷載―變形曲線，分析各參數對鋼管混凝土T形短柱軸心受壓力學性能的影響。界定了長柱和短柱的長細比范圍，得到短柱和長柱的破壞形態，探討了鋼管壁厚、鋼材和混凝土的強度對柱的極限承載力影響。參考國內外有關矩形鋼管混凝土柱承載力的計算理論和計算方法，在分析試驗數據的基礎上，建立了鋼管混凝土T形短柱軸心抗壓極限承載力計算公式，公式可供實際工程設計參考。

武漢大學的徐禮華[15]等對T形鋼管混凝土組合柱的抗剪和抗彎性能進行了研究，考慮剪跨比、軸壓比、套箍指標等參數對試件性能的影響，對試件進行靜力加載試驗，試驗結果表明：試件的抗彎承載能力極限隨鋼筋強度的提高和鋼管壁厚的增大而增大，混凝土強度等級和剪跨比對其影響并不顯著，以結構塑性極限理論和經典力學為基礎，建立T形鋼管混凝土組合柱純彎極限承載力的計算公式，試件的抗剪承載力隨軸壓比和套箍指標的提高而增大，隨剪跨比的提高而減小，建立了組合T形鋼管混凝土試件抗剪承載力的計算公式。

廈門理工學院的陳惠滿[16]等基于平截面假定和鋼筋與混凝土的本構關系，利用截面內力平衡，推導出包含任意截面形狀的異形鋼管混凝土柱剛度矩陣簡便表達式。柱截面剛度為鋼管和混凝土兩部分剛度的疊加，該表達式清晰、簡便，適用于任意材料本構關系。他們將文中公式分析結果與其它文獻實驗結果進行了比較，公式分析結果與實驗結果正好吻合。由他們推導出的計算方法可用于異形鋼管混凝土柱正截面承載力分析。

內蒙古工業大學的曹玉生[17]采用逐級增加曲率的方法，使用C++程序設計語言編制計算程序，對異形鋼管混凝土柱進行非線性全過程分析。研究表明，影響異形鋼管混凝土截面延性的因素有：荷載角，軸壓比，含鋼率，鋼管等級，混凝土強度和截面大小。分析所得數據得：隨著鋼管強度等級的增加，截面的承載能力、曲率和延性均有所提高；隨混凝土強度等級的增加，截面的承載能力增強，但是曲率延性降低。同時，對于異形柱截面，隨著截面尺寸的增加，截面的曲率延性降低，承載力提高。在所有的截面曲率影響因素中，軸壓比的影響最大。在同等情況下，十字形柱截面的延性最好，T形柱截面次之，L形柱截面延性最差。

哈爾濱工業大學的趙毅[18]對T形和十字形鋼管混凝土軸壓短柱的力學性能進行了研究，分析了設置鋼筋加勁肋對普通鋼管混凝柱力學性能的影響；利用有限元分析軟件ABAQUS模擬分析異形鋼管混凝土軸壓短柱的力學性能，并通過試驗驗證了理論分析結果的正確性，得出結論：鋼筋加勁肋使鋼板的力學性能得以改善；改變鋼筋加勁肋焊點間距可以提高鋼板的屈曲承載力；T形鋼管混凝土中鋼板對核心混凝土約束效果不顯著，鋼管在破壞時呈現明顯的多波屈曲；鋼筋加勁肋可有效延緩鋼板屈曲的發生，改善柱子的延性；混凝土澆注質量對異形鋼管混凝土柱比較重要；鋼板屈服強度越高、截面含鋼率越大、混凝土強度越低，異形鋼管混凝土柱的延性越好（圖4）。

哈爾濱工業大學的楊遠龍[19]對T形截面鋼管混凝土柱的抗震性能展開試驗研究，試件為一根不加勁混凝土柱，一根加勁鋼管混凝土柱和一根鋼筋混凝土柱對比試件（如圖5所示），對它們進行壓彎滯回性能試驗，探討試件的破壞模式和滯回性能，分析了鋼筋加勁肋的作用機理及鋼管的約束作用。得出結論：鋼管混凝土T形柱相比鋼筋混凝土T形柱破壞程度小，初始剛度、屈服荷載大，耗能性能好，但延性相比鋼筋混凝土弱；帶加勁肋的鋼管混凝土T形柱相比無加勁肋的力學性能有所改善，屈服荷載和極限承載力提高顯著，延性改善不大；加勁肋的設置可能導致鋼管過早發生變形，但不會對后期力學性能產生不利影響。

目前，對異形截面鋼管混凝土柱的靜力性能的研究以單一荷載作用為主，而彎剪扭復合受力方面的研究比較少，可以作為以后研究的重點。

5、異形截面鋼管混凝土柱

節點研究

異形截面鋼筋混凝土具有受力截面小，抗剪承載力低，是制約異形柱結構推廣和應用的關鍵因素。有關異形截面鋼管混凝土柱的節點可以借鑒方鋼管混凝土柱的節點形式。目前，方鋼管混凝土柱的節點形式主要有內加強板式節點、外加強板式節點、貫穿加強板式節點、內隔板式節點、外隔板式節點。針對目前異形截面鋼管混凝土柱的實際情況，采用內隔板式節點比較好。（如圖5）此為T形鋼管混凝土柱與H形鋼梁節點，主要由內錨固板、鋼筋加勁肋通過焊接而成。其傳力機理是：梁的翼緣傳遞彎矩，剪力由梁的腹板傳遞到柱，其中內錨固板主要是在鋼梁受彎時，限制陰角的變化，防止鋼管外部鼓曲。鋼筋加勁肋主要增大腹板的抗剪能力，防止腹板受壓區的屈曲，解決局部有較大壓力的腹板穩定問題[20]。

西安建筑科技大學的葛廣全[21] 對異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節點進行了試驗研究，節點為貫通式，主要進行低周反復加載試驗，分析比較肢高肢厚比不同的情況下節點的滯回性能、強度及延性、破壞特征，得出結論：T 形鋼管混凝土柱-鋼梁框架節點和普通鋼結構節點一樣，具有較好的延性和相同的破壞特征，滯回環飽滿，耗能性能良好，具有較好的抗震性能；對于 T 形鋼管混凝土異形柱與鋼梁框架節點，在肢高肢厚比不大于 3 的情況下，節點的承載能力與肢高肢厚比是正相關的關系看，即隨著肢高肢厚比的增加，節點的承載能力也會相應提高；焊縫質量是影響T形鋼管混凝土異形柱與鋼梁框架節點抗震性能的關鍵。焊接不均勻產生的應力重分布會嚴重影響節點的穩定性。

北京工業大學的陳靜、張玉敏[22] 主要進行的研究工作是低周反復水平荷載試驗和節點沖切試驗，試件分為2組10個模型相似比為1/2的異形鋼管混凝土柱-板，試驗內容主要包括節點的沖切受力特性、極限荷載、受力過程、開裂荷載、破壞荷載以及破壞形態等，利用試驗中得到的數據畫出試件的滯回環曲線、托板應變曲線、骨架曲線以及鋼筋應變曲線。結果表明：我國《混凝土結構設計規范GB50010-2002》中公式7.7.1-1可用于異形板柱節點抗沖切設計，異形鋼管混凝土柱-板鉸接節點沖切承載力只比普通混凝土板柱節點高一點，不是十分明顯；滯回曲線狹長，構件的延性比較好，鉸接性能好，抗側移能力強，符合《建筑抗震設計規范GB50011-2001》的要求，保證結構在大震中的安全。節點處托板應變可以近似看做彈性階段，變形能力較好，節點承受的局部彎矩小，可有結構自身的內力與之平衡。異形鋼管混凝土柱-板節點的性能與矩形鋼管混凝土柱-板節點在滯回曲線、沖切承載力以及抗側移等性能上相差不大，可用于大空間鋼管混凝土柱板高層節能住宅結構體系。

西安建筑科技大學的侯文龍[23]等利用ABAQUS 有限元軟件對鋼管混凝土異形柱框架節點進行了非線性有限元分析，并且著重對影響節點受力性能的因素諸如肢高肢厚比，軸壓比，鋼管壁厚等進行了定性分析，通過計算得到了鋼管混凝土異形柱框架節點的應力云圖。將計算所得的結果與試驗結果進行了比較，兩者結果吻合。結果表明：異形柱框架節點受力明確，傳力途徑清晰，肢高肢厚比和軸壓比對節點受力性能的影響較大。試驗結果還表明，方鋼管混凝土異形柱破壞時方鋼管與混凝土均已達到極限強度，其整體變形和單肢變形都不明顯，各肢變形相對比較協調。

異形截面鋼管混凝土結構的推廣和應用過程中，首先需要解決的是框架的節點問題。沒有框架節點就不能形成完整的框架結構，節點的穩定性十分重要，在承受突加荷載、永久荷載及水平風荷載的組合作用下能使剪力和彎矩得到有效的傳遞，在施工中會更容易設置節點。所以，當前我們需要對梁-柱節點形式、力學性能、抗震性能等進行深入研究，這是鋼管混凝土結構未來發展和應用的重中之重 [24-25]。

梁與鋼管混凝土異形柱節點在承受地震荷載作用時，柱和框架梁傳來的剪力、彎矩和軸力作用于節點部位，因為鋼管的套箍作用使內部混凝土處于三向受力狀態，大大增加了混凝土的抗壓強度和承載能力，此時節點的受力情況不是單一荷載作用，而是更多處于剪力和彎矩的作用下。1980年以來，國內高校關于普通截面鋼管混凝土柱和梁柱節點的抗震性能做了很多試驗研究，積累了不少寶貴經驗。國內外專家在新型節點研究工作中，一般都要考慮柱軸壓比等對節點力學性能的影響，更合理地研究異形柱與梁之間節點的各種性能，他們利用靜力、擬靜力和振動臺試驗在節點模型的基礎上得到節點的σ-ω曲線、承載能力標準值、設計值等數據， 然后比較節點在控制軸壓比變化的情況下滯回性能、延性、耗能性能、破壞機理及破壞特征是如何變化的，以此作為評價節點力學性能的標準。

6、結語和展望

（1）異形截面鋼管混凝土柱較之傳統鋼筋混凝土柱具有極限承載力高、延性好、抗震性能好、施工簡便、經濟效益好等優點，適用于抗震設防烈度更高的區域，在滿足承載力和剛度要求，又不顯著增大柱截面面積的基礎上，可以做到內墻不外凸，增大了室內使用面積，較好地滿足了建筑使用功能，是現代工程應用重要的結構體系，其應用前景十分廣泛。

（2）對異形截面鋼管混凝土柱的研究才剛剛起步，研究手段、試驗方法很多還不是很成熟，沒有形成系統的異形柱設計規范，有關異形柱承載力的計算方法較少，只是借助于試驗數據的分析，得出承載力計算公式。

（3）對異形截面鋼管混凝土柱在動力荷載作用下的動力性能研究較少，可以作為以后研究的重要方向。關于異形截面鋼管混凝土柱節點尚不夠成熟，節點的計算模型尚不明確，還沒有一套完整的計算理論和設計方法，因此以后有關節點的研究工作可緊密圍繞在這些方面，出臺系統的全面的異形鋼管混凝土柱的設計規程。

作者：蘇忍，劉光燁，楊遠龍，工作單位：蘭州大學土木工程與力學學院

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