異形鋼管混凝土柱選型與設計

許成祥，李雪平 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

異形鋼管混凝土柱選型與設計

許成祥，李雪平 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

異形鋼管混凝土柱在工程中已有應用，但沒有相應的設計規程，要尋找適用于異形鋼管混凝土柱受力特征的設計方法，保證其安全性和經濟性。基于工程應用和試驗研究成果，分析了異形鋼管混凝土承重柱設計原則，探討了截面選型和承載力計算方法，提出了設計建議。

鋼管混凝土柱；異形截面；承載力

住宅建筑采用與填充墻同厚的T形、十字形和L形等異形截面柱，既使室內不出現柱楞，又可增加使用面積，使其具有改善建筑功能和室內布置靈活的特性，受到建筑師、開發商以及廣大用戶的歡迎。 20世紀70年代，天津市開始探索和發展鋼筋混凝土異形柱住宅。20世紀90年代末以來，異形柱結構在全國各地有大量的應用[1]。但鋼筋混凝土異形柱結構僅限于較低抗震烈度設防區，房屋適用高度低，異形柱框架最大適用高度不超過24m。因此，要推廣異形柱結構，將其應用到層數更高的建筑以及抗震設防烈度更高的地區，就必須研究如何在保持現有柱截面大小的情況下，同時提高異形柱承載力和延性[2]。為此，學術界和工程界開展了異形截面鋼管混凝土柱的力學性能研究和應用推廣工作[3]，提出了諸多富有創新性的異形鋼管混凝土柱結構形式。目前國內外對鋼管混凝土研究，主要集中在圓形和矩形鋼管混凝土柱，對異形鋼管混凝土柱的研究還較少。異形鋼管混凝土柱設計還沒有相關的設計規程，不能保證其安全性和經濟性。面對異形鋼管混凝土柱結構形式和承載力計算方法的多樣性，筆者基于工程應用和試驗研究成果，探討了截面選型和承載力計算方法，為實際工程設計應用時提供參考。

1 異形鋼管混凝土工作機理及承重柱設計原則

鋼管混凝土的增強機理在于組成鋼管混凝土的鋼管和其內填核心混凝土之間相互貢獻、共同工作的優勢，從而使其總體承載力大大提高以及延性大大改善，充分發揮材料的優勢。管內混凝土利用鋼管的側向約束,使其處于三向受壓狀態，延緩其縱向裂縫的發生和發展,從而提高其抗壓強度和壓縮變形能力；鋼管借助內填混凝土的支撐作用，增強管壁的幾何穩定性，改變空鋼管的失穩狀態，從而提高其承載力。因此，鋼管混凝土優勢的發揮要取決于：①鋼管對內填混凝土的約束程度；②內填混凝土對管壁的支撐程度。

異形鋼管混凝土承重柱設計一般應遵循的原則:①具有較好的延性,適用更高抗震烈度設防區；②具有較高的承載力，適用更高層數的房屋；③構造盡量簡單，方便施工和構件安裝，并能與梁形成受力明確的節點；④用鋼量節省，保證其經濟性。

2 鋼管混凝土異形柱截面選型

1)普通鋼管混凝土異形柱 普通異形鋼管混凝土柱截面如圖1所示，截面形狀不規則，存在拐角。試驗研究表明[4]，普通異形鋼管混凝土柱的約束效應主要集中于角部，角部以外約束效應迅速減小，橫截面中部鋼板處約束效應幾乎為零；其承載力和延性遠低于圓鋼管混凝土柱。由于管壁對核心混凝土的約束作用不強，不利于管內混凝土三向應力的發揮，不能體現鋼管混凝土柱承載力高和延性好的優勢。實際工程中，沒有改進約束措施的普通鋼管混凝土異形柱不被采用，僅用于試驗研究和理論分析對比。

圖1 普通異形鋼管混凝土柱截面

圖2 帶約束拉桿的L形鋼管混凝土柱

圖3 帶加勁肋的L形鋼管混凝土柱

2)帶約束拉桿的鋼管混凝土異形柱 為改善鋼管混凝土異形柱力學性能，在鋼板中部位置設置具有約束鋼板外凸變形作用的水平拉桿，形成帶約束拉桿的鋼管混凝土異形柱(見圖2)。通過7個帶約束拉桿L形鋼管混凝土軸壓短柱[4]和8個帶約束拉桿L形鋼管混凝土偏壓短柱試驗[5]，結果表明在L形鋼管混凝土短柱上設置約束拉桿，可以有效地延緩鋼管壁的局部屈曲，改善鋼板對核心混凝土的約束效應，有助于構件承載力的提高。同時認為，約束拉桿的水平間距是影響帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱極限承載力和延性的重要因素。當約束拉桿水平間距過大時，對帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱的力學性能的提高不明顯。這種約束拉桿的設置，增強了鋼管與混凝土的相互作用，對構件力學性能有較大的改進，取得了明顯效果，但施工制作有難度，且用鋼量較大。

3)帶加勁肋的鋼管混凝土異形柱 針對普通鋼管混凝土異形柱存在鋼管對核心混凝土約束作用不強、鋼板易發生局部屈曲的問題，提出在鋼管內壁設置鋼板加勁肋或鋼筋加勁肋(見圖3)以改善鋼管混凝土異形柱工作性能。文獻[6]研究認為，當鋼管寬厚比不大于60(即短肢柱)時，加勁肋雖然對L形鋼管混凝土的承載力沒有明顯貢獻，但是可以有效地提高其延性；當鋼管寬厚比大于60(即長肢柱)時，加勁肋對L形鋼管混凝土柱的承載力及延性均無明顯影響。文獻[7]研究認為，鋼筋加勁肋雖對試件極限承載力影響不大，但可有效延緩鋼板屈曲的發生，破壞時屈曲波數和波距減少，柱子的延性得到改善。

從上述研究成果來看，無論設置鋼板加勁肋還是鋼筋加勁肋，都沒有取得延性較大改進和承載力較大提高的效果，還增加了鋼材用量和施工工作量。

4)帶綴板的鋼管混凝土異形柱 由若干個方鋼管混凝土單肢，通過綴條連接組成T形、十字形和L形截面鋼管混凝土柱(見圖4)，以期通過提高單肢的強度和穩定性來提高異形柱的強度和穩定性，同時，單肢截面較小，在實際應用中可以被包裹在墻體內，避免出現室內突角，體現異形柱截面形式靈活的特點。文獻[8]開展了帶綴板十字形方鋼管混凝土組合柱軸心抗壓性能研究，此結構體系應用于住宅中具有柱角不凸出墻面的效果，但制作過程較復雜，梁柱節點不易實現，整體抗彎、抗剪和抗震性能有待進一步研究。

5)多室式鋼管混凝土異形柱 多室式鋼管混凝土異形柱如圖5所示。圖5中整個T形截面可看作由鋼板分隔成的3個分室組成，這樣既可以消除普通鋼管混凝土T形截面陰角的影響，同時也減小了部分板件的寬厚比，使各分室材料間的相互作用增強，進而使構件的整體性能得到改善。試驗結果表明[9]，多室式鋼管混凝土T形柱能較好地增強T形截面內鋼材對混凝土的約束作用，發揮2種材料的組合性能。

3 承載力設計計算方法

1)擬鋼理論 擬鋼理論將混凝土折算成鋼，再按照鋼結構規范進行設計。它在不改變鋼管橫截面面積的條件下，將填充混凝土作為對鋼管材料的屈服強度和彈性模量的提高，以此來換算求得等效鋼管的性質，并以等效鋼管構件的承載力作為原型鋼管混凝土構件的承載力。美國的LRFD 規范和《矩形鋼管混凝土結構技術規程》(CECS159: 2004)中關于受彎承載力計算都是采用擬鋼理論。

圖4 帶綴板的T形、十字形和L形鋼管組合柱

圖5 多室式鋼管混凝土T形柱

2)擬混凝土理論 擬混凝土理論將鋼管混凝土構件等效為混凝土構件，按照鋼筋混凝土方法進行計算。將鋼管混凝土構件中的鋼管視為分布在核心混凝土周圍的等效縱向鋼筋，鋼筋的面積根據鋼管的截面積和形狀而定。美國混凝土協會ACI(1999)制定的規范和歐洲的EC4 (1994) 規范都是采用擬混凝土理論。

3)統一理論 不區分鋼管和混凝土，把鋼管混凝土構件視為統一的組合材料，通過試驗回歸得到組合材料的性能指標，用構件的整體幾何特性和鋼管混凝土的組合性能指標來計算構件的各項承載力[10]。《戰時軍港搶修早強型組合結構技術規程》(GBJ 4142-2000)采用統一理論。

4)疊加理論 疊加理論不考慮鋼管和混凝土之間的粘結作用，將填充混凝土和鋼管2部分的承載力進行疊加，作為鋼管混凝土構件整體承載力。日本AIJ(2001)規范采用疊加理論。

5)數值分析理論 數值分析理論基于平截面假設和材料本構關系，利用截面內力平衡，直接推導出具有任意截面形狀鋼管混凝土柱剛度矩陣的表達式[11]。柱截面剛度為混凝土剛度和鋼管剛度2部分剛度的疊加。該理論適用于對異形鋼管混凝土柱進行全過程非線性分析。

4 設計建議

1)普通異形鋼管混凝土柱不能直接應用于工程；設置約束拉桿或加勁肋的異形鋼管混凝柱土柱能在一定程度上抑制或延緩鋼板的局部屈曲，提高構件承載力和延性；帶綴板的鋼管混凝土異形柱制作過程較復雜，梁柱節點不易實現，用鋼量較大；多室式鋼管混凝土異形柱能較好地增強鋼材與混凝土之間的相互作用，能有效地保證承載力提高和延性增強。設計中，可優選多室式鋼管混凝土異形柱。

2)擬鋼理論和擬混凝土理論是以鋼管與混凝土共同工作為前提，把異形鋼管混凝土柱擬化為鋼材或混凝土單一材料進行計算，與實際工作狀況有較大差距；統一理論將鋼管混凝土擬化為一種組合材料，基于試驗結果而進行數值擬合的計算式，具有適用范圍的局限性；疊加理論計算極限承載力偏于安全，該方法物理概念明確，計算公式簡單，容易在實際工程中采用；數值分析理論適用于計算機編程對異形鋼管混凝土柱進行全過程分析。

3)設計選型要與施工工藝相結合，確保焊縫質量，避免和防止焊縫的拉裂和爆裂，力爭焊縫強度和鋼材強度等強。

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[5]龍躍凌,蔡健. 帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱軸壓承載力計算的簡化方法[J]. 混凝土,2010,245(3):48-50.

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.045

TU398.9

A

1673-1409(2012)01-N139-03