許成祥，李雪平 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

異形鋼管混凝土柱選型與設(shè)計

許成祥，李雪平 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

異形鋼管混凝土柱在工程中已有應(yīng)用，但沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)程，要尋找適用于異形鋼管混凝土柱受力特征的設(shè)計方法，保證其安全性和經(jīng)濟性。基于工程應(yīng)用和試驗研究成果，分析了異形鋼管混凝土承重柱設(shè)計原則，探討了截面選型和承載力計算方法，提出了設(shè)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(nèi)不出現(xiàn)柱楞，又可增加使用面積，使其具有改善建筑功能和室內(nèi)布置靈活的特性，受到建筑師、開發(fā)商以及廣大用戶的歡迎。 20世紀(jì)70年代，天津市開始探索和發(fā)展鋼筋混凝土異形柱住宅。20世紀(jì)90年代末以來，異形柱結(jié)構(gòu)在全國各地有大量的應(yīng)用[1]。但鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)僅限于較低抗震烈度設(shè)防區(qū)，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(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到層數(shù)更高的建筑以及抗震設(shè)防烈度更高的地區(qū)，就必須研究如何在保持現(xiàn)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(xué)術(shù)界和工程界開展了異形截面鋼管混凝土柱的力學(xué)性能研究和應(yīng)用推廣工作[3]，提出了諸多富有創(chuàng)新性的異形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)形式。目前國內(nèi)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(shè)計還沒有相關(guān)的設(shè)計規(guī)程，不能保證其安全性和經(jīng)濟性。面對異形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)形式和承載力計算方法的多樣性，筆者基于工程應(yīng)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(shè)計應(yīng)用時提供參考。

1 異形鋼管混凝土工作機理及承重柱設(shè)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(nèi)填核心混凝土之間相互貢獻、共同工作的優(yōu)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(fā)揮材料的優(yōu)勢。管內(nèi)混凝土利用鋼管的側(cè)向約束,使其處于三向受壓狀態(tài)，延緩其縱向裂縫的發(fā)生和發(fā)展,從而提高其抗壓強度和壓縮變形能力；鋼管借助內(nèi)填混凝土的支撐作用，增強管壁的幾何穩(wěn)定性，改變空鋼管的失穩(wěn)狀態(tài)，從而提高其承載力。因此，鋼管混凝土優(yōu)勢的發(fā)揮要取決于：①鋼管對內(nèi)填混凝土的約束程度；②內(nèi)填混凝土對管壁的支撐程度。

異形鋼管混凝土承重柱設(shè)計一般應(yīng)遵循的原則:①具有較好的延性,適用更高抗震烈度設(shè)防區(qū)；②具有較高的承載力，適用更高層數(shù)的房屋；③構(gòu)造盡量簡單，方便施工和構(gòu)件安裝，并能與梁形成受力明確的節(jié)點；④用鋼量節(jié)省，保證其經(jīng)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(guī)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(yīng)主要集中于角部，角部以外約束效應(yīng)迅速減小，橫截面中部鋼板處約束效應(yīng)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(nèi)混凝土三向應(yīng)力的發(fā)揮，不能體現(xiàn)鋼管混凝土柱承載力高和延性好的優(yōu)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(xué)性能，在鋼板中部位置設(shè)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(jié)果表明在L形鋼管混凝土短柱上設(shè)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(yīng)，有助于構(gòu)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(dāng)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(xué)性能的提高不明顯。這種約束拉桿的設(shè)置，增強了鋼管與混凝土的相互作用，對構(gòu)件力學(xué)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(fā)生局部屈曲的問題，提出在鋼管內(nèi)壁設(shè)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(dāng)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(dāng)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(fā)生，破壞時屈曲波數(shù)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(shè)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(wěn)定性來提高異形柱的強度和穩(wěn)定性，同時，單肢截面較小，在實際應(yīng)用中可以被包裹在墻體內(nèi)，避免出現(xiàn)室內(nèi)突角，體現(xiàn)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(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于住宅中具有柱角不凸出墻面的效果，但制作過程較復(fù)雜，梁柱節(jié)點不易實現(xiàn)，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(gòu)件的整體性能得到改善。試驗結(jié)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(nèi)鋼材對混凝土的約束作用，發(fā)揮2種材料的組合性能。

3 承載力設(shè)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(jié)構(gòu)規(guī)范進行設(shè)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(zhì)，并以等效鋼管構(gòu)件的承載力作為原型鋼管混凝土構(gòu)件的承載力。美國的LRFD 規(guī)范和《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS159: 2004)中關(guān)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(gòu)件等效為混凝土構(gòu)件，按照鋼筋混凝土方法進行計算。將鋼管混凝土構(gòu)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(jù)鋼管的截面積和形狀而定。美國混凝土協(xié)會ACI(1999)制定的規(guī)范和歐洲的EC4 (1994) 規(guī)范都是采用擬混凝土理論。

3)統(tǒng)一理論 不區(qū)分鋼管和混凝土，把鋼管混凝土構(gòu)件視為統(tǒng)一的組合材料，通過試驗回歸得到組合材料的性能指標(biāo)，用構(gòu)件的整體幾何特性和鋼管混凝土的組合性能指標(biāo)來計算構(gòu)件的各項承載力[10]?！稇?zhàn)時軍港搶修早強型組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(GBJ 4142-2000)采用統(tǒng)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(jié)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(gòu)件整體承載力。日本AIJ(2001)規(guī)范采用疊加理論。

5)數(shù)值分析理論 數(shù)值分析理論基于平截面假設(shè)和材料本構(gòu)關(guān)系，利用截面內(nèi)力平衡，直接推導(dǎo)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(shè)計建議

1)普通異形鋼管混凝土柱不能直接應(yīng)用于工程；設(shè)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(gòu)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(fù)雜，梁柱節(jié)點不易實現(xiàn)，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(shè)計中，可優(yōu)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(tǒng)一理論將鋼管混凝土擬化為一種組合材料，基于試驗結(jié)果而進行數(shù)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(shù)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(shè)計選型要與施工工藝相結(jié)合，確保焊縫質(zhì)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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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.045

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1673-1409(2012)01-N139-03