鋼管混凝土異形柱研究的論述★

劉 洋 張 宇 王 麗 焦之森

(齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 概述

異形柱主要存在于鋼筋混凝土框架結構的住宅(2層～4層的別墅較多)當中，它使得框架柱的布置更加靈活，墻面平整美觀，空間使用更加合理。為了保證戶型的美觀和房屋的實際使用功能，大多時候異形柱的寬度與兩側的墻厚一致，因此異形柱較矩形柱的雙向剛度都有所減弱，進而其承載力有明顯的降低。如果使異形柱的寬度增加，其性質又接近短肢剪力墻，使其成本上升，經濟性較差。鋼管混凝土具有造型簡單、施工方便等特點，其最大的優勢就是使鋼材和混凝土實現了完美的結合。鋼材的套箍作用約束了混凝土的變形，提高了混凝土的承載能力和延性；混凝土良好的耐火性也可防止因鋼材耐火性差導致構件破壞房屋倒塌的現象發生。如果合理的采用鋼管混凝土形成異形柱一定會改變鋼筋混凝土異形柱在承載力不足的問題。

對于鋼管混凝土異形柱我國的一些學者和研究人員已經有所涉獵，但用現有的研究成果去指導設計和施工任重而道遠。本文就將對鋼管混凝土異形柱現有的研究成果做一簡單的綜述，為以后研究提供一些幫助。

2 鋼管混凝土異形柱類型

鋼管混凝土異形柱樣式較多，根據其形狀主要分為：L形、T形、十字形；根據鋼管的位置分為：鋼管外箍式和方鋼管組合式；對于是否設置加勁肋分為：有加勁肋和無加勁肋兩種類型(見圖1)。鋼管混凝土異形柱除了以上的型式外，還有一種由單肢鋼管混凝土柱通過鋼板或綴條相互連接的型式(見圖2)。

3 鋼管混凝土異形柱研究方法及研究成果

3.1 試驗法

2009年同濟大學的林震宇根據不同的軸壓比和有無加勁肋的正交試驗設計了7根L形外箍式鋼管混凝土柱，采用擬動力試驗對7根L形外箍式鋼管混凝土柱進行了抗震性能的研究，得到了加勁肋對L形外箍式鋼管混凝土柱的承載力、延性和抗震性能均有提高[1]。

2019年山東建筑大學的王周泰設計了9個試件，以長細比，偏心率，含鋼率和彎矩的作用方向為控制變量，通過這些變量來研究其偏心受壓能力。首先，異形柱在實驗過程中并沒有出現平面外失穩，體現其良好的穩定能力；其次，長細比的不同呈現了不同的破壞形式，主要出現了剪切破壞和彎曲破壞兩種形式。到達極限狀態時，彎曲變形對構件的影響比扭轉變形的影響更加明顯，扭轉變形的影響可忽略不計；最后，試驗結果表明偏心距、含鋼率、長細比對其力學性能的影響依次降低[2]。

2019年山東建筑大學的李明洋對5組L形方鋼管組合式鋼管混凝土柱進行了軸向壓力靜載試驗，得到結論如下：首先，長細比不同的構件的破壞形式趨于一致，均出現了整體和局部失穩，只是出現的順序不盡相同。長細比較小的構件先出現局部失穩，而長細比較大的構件先出現整體失穩；其次，對于含鋼率和混凝土強度較高的構件，其承載力高、穩定性更好，這與我們的專業常識相一致，并且其強化階段更加明顯，這里長細比較大的構件的承載力較長細比較小的構件的承載力要差，同時失穩也更加明顯；最后，所有試驗過程中，均沒有出現鋼管撕裂現象，證明鋼管混凝土異形柱的受力性能優良[3]。

2019年天津大學的周婷在ANSI/AISC360-05，GB 50936和DB29等計算方法的基礎上增加DB29疊加理論得到了鋼管混凝土異形柱的計算公式和單肢失穩的計算方法。通過試驗對計算公式的合理性進行了驗證，試驗結果與計算結果吻合良好[4]。

2019年宿遷學院的朱浩對圖2中的L形鋼管混凝土異形柱的軸心受力進行了研究，得到了該柱的荷載—豎向位移曲線、豎向應力—應變曲線和水平位移曲線，得出了以下結論：

1)該柱破壞時只出現了局部失穩，并未出現整體失穩；

2)在構件破壞時產生了較大形變，并且能夠繼續提供一定的承載力，證明該種鋼管混凝土異形柱具有良好的延性；

3)得到該柱的極限承載力，證明該種鋼管混凝土具有良好的承載能力；

4)由于連接鋼管混凝土為單鋼，其協調變形能力較弱[8]。文獻[8]由于試驗樣本較少，得到的結果和規律較少，降低了其參考價值。

3.2 數值仿真法

2019年東北石油大學的李文ABAQUS軟件模擬了6組L形、T形外箍式鋼管混凝土柱的力學性能研究，主要研究了含鋼率對L形、T形外箍式鋼管混凝土柱的力學性能研究的影響。模擬結果表明含鋼率對L形、T形外箍式鋼管混凝土柱的力學性能改善并不理想，因此可以通過降低含鋼率來節約外箍式鋼管混凝土柱的經濟成本[5]。

文獻[2]運用ABAQUS進行了數值仿真。首先，建立了鋼管混凝土異形柱的有限元模型，并與偏心受力試驗結果進行了對比，結果基本吻合；其次，數值模擬得到了與試驗基本一致的結果就是偏心距、含鋼率、長細比對其力學性能的影響依次降低；最后，通過試驗和數值模擬得到了大量的相關數據，進而擬合了單向和雙向偏心受壓承載力公式，公式與數據吻合良好。

文獻[3]對L形方鋼管組合式鋼管混凝土柱軸心受壓力學性能進行了有限元模擬，并且與荷載比值法和柱子曲線法得到的結果進行對比，結果吻合良好；其次，研究了含鋼率、鋼材型號、混凝土強度等因素對L形方鋼管組合式鋼管混凝土柱力學性能的影響。試驗結果表明鋼材型號對構件力學性能影響最為明顯，其對構件的極限承載力可提高27%，而含鋼率、混凝土強度對構件極限承載力提高只有24.2%和6.4%；最后，結合工程經驗提出了L形方鋼管混凝土組合異形柱穩定承載力公式。

2019年天津大學的趙炳震運用等效剛度和實際建模的方法對圖2型式的方鋼管混凝土組合異形柱進行分析。得到了方鋼管混凝土組合異形柱的周期、抗側剛度、層間剪力、剪重比、位移角和位移比等指標一致。驗證了方鋼管混凝土組合異形柱建模方法的合理性，為后續的研究提供了基礎[6]。

2019年商丘工學院的宗景美模擬了9組鋼管混凝土異形柱構件，對柱子的寬度、長度和高度三方面因素對其抗震性能的影響進行了研究。首先，利用ABAQUS建立1∶2的有限元模型，其采用二次實體單元C3D20R，該單元較為高效可計算一般的分析工作。文獻[7]的有限元模型并未于已有試驗結果進行對比，因此模擬結果的有效性有待考究；其次，對柱子的寬度、長度和高度三方面因素對其抗震性能的影響的規律做出了總結。寬度的增加對柱子的水平承載力有所降低。長度的增加對柱子的水平承載力會有所增加，水平位移變化不大。高度的增加也會對柱子的水平承載力有所降低；最后，根據其變化規律提出工程指導意見，設計中要嚴格控制鋼管混凝土異形柱的長細比，可以適當提高柱子的寬度[7]。

4 結語

我國在鋼管混凝土異形柱的研究已經取得了一些成果，尤其是它的力學性能，主要表現在它豎向的承載力和抗震性能上，也在多方面上證明它可以彌補鋼筋混凝土的缺點和不足，因此它未來在多層別墅中的應用還是有很廣闊的前景。但就目前的研究成果來看，鋼管混凝土異形柱廣泛應用到建筑中還是有一定難度的，尤其是節點的處理、抗震措施的設置和耐火性能，還需要大量的試驗與研究的數據和經驗來指導其施工，因此以上的問題也正是鋼管混凝土研究人員和學者未來的研究方向。