李文碩/華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院

鋼筋混凝土異形柱抗震性能研究現(xiàn)狀

李文碩/華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院

與一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋相比，異形柱框架結(jié)構(gòu)房屋室內(nèi)不露柱角，使用功能好，有利于增加房屋使用面積。但其抗震性能是目前需要迫切解決的問題。本文列舉了國內(nèi)各高校對鋼筋混凝土異形柱進(jìn)行的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)論做出了分析和總結(jié)，最后對提高異形柱的抗震性能提出了建議。

異形柱；延性；耗能；抗震性能

前言

由于異形柱截面寬度減小，柱截面面積變小，使得在設(shè)計(jì)荷載與地震作用下，柱軸壓比與剪壓比增加，結(jié)構(gòu)延性變小，影響抵抗地震作用的性能。隨著異形柱結(jié)構(gòu)體系開始在地震區(qū)的推廣應(yīng)用，其抗震問題成了目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界比較關(guān)心的問題。在我國現(xiàn)行的《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ149-2006》中，對異形柱結(jié)構(gòu)的適用范圍規(guī)定了較普通混凝土框架結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)格的限制，例如規(guī)程中規(guī)定，只能在6、7、8（0.2g）度設(shè)防區(qū)采用，而且最大建筑高度均為普通混凝土框架結(jié)構(gòu)的40％以下，對在水平地震作用下的軸壓比、層間位移限制等也規(guī)定了嚴(yán)格的限制，因此限制了異形柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。若能有效地解決異形柱結(jié)構(gòu)的抗震性能問題，則其應(yīng)用的范圍會(huì)得到大幅的增加，發(fā)揮其巨大的效益。

一、異形柱的截面形式和在框架中的平面布置

異形柱的截面形式主要有十字形、L形、T形，有的建筑結(jié)構(gòu)中還包括Z形異形柱。異形柱結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，

圖1　預(yù)制鋼管混凝土組合異形柱平面示意圖

二、異形柱的研究現(xiàn)狀

異形柱的研究又可分為鋼筋混凝土異形柱和SRC異形柱，以往對此兩種異形柱的抗震性能試驗(yàn)具體可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）不同的荷載性質(zhì)的試驗(yàn)，包括靜力荷載、往復(fù)荷載、不同的加載角度、火災(zāi)荷載作用等。（2）不同軸壓比下的往復(fù)加載試驗(yàn)。（3）不同配筋率下的靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)。（4）不同配鋼形式（實(shí)腹式、空腹式）下的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)等。

（一）異形柱的軸壓性能研究

天津大學(xué)趙艷靜系統(tǒng)地研究了鋼筋混凝土異形柱的軸壓比限值要求，通過理論與數(shù)值分析，給出了對應(yīng)4個(gè)抗震等級時(shí)異形柱的軸壓比限值及相應(yīng)的構(gòu)造要求；并得出軸壓比的大小是決定異形柱破壞特征的很重要的指標(biāo)。由于異形柱形狀的不規(guī)則性我國現(xiàn)行的規(guī)范中都嚴(yán)格的限制了異形柱的軸壓比取值。

（二） 異形柱的延性性能研究

天津大學(xué)孫林柱，根據(jù)異形柱配箍特征值的適用范圍設(shè)計(jì)了30個(gè)試件，通過軸心受壓試驗(yàn)，分別得到鋼筋混凝土十字形柱、T形柱和L形柱的試驗(yàn)結(jié)果，研究表明：（1）鋼筋混凝土異形柱的破壞特征可分為縱向壓碎破壞和壓剪破壞；（2）構(gòu)件配箍特征值越大，其極限承載力和變形越大，箍筋對混凝土的約束作用越強(qiáng)。（3）根據(jù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，建立了L形、十形、T形和方形柱約束混凝土峰值強(qiáng)度相對增大值和峰值應(yīng)變相對增大值與配箍特征值的關(guān)系表達(dá)式［2］。

由以上的實(shí)驗(yàn)研究可知，配箍率增加時(shí)，構(gòu)件的延性有明顯的增加，因此增加配箍率就是增加了對混凝土的約束，改善了混凝土的延性，可以通過增加配箍率改善異形柱的抗震性能。

（三） 鋼筋混凝土異形柱的抗震性能研究

曹萬林等分別對15個(gè)T形、15個(gè)L形、10個(gè)十字形和4個(gè)矩形柱進(jìn)行擬靜力受剪性能研究，分別就不同加載角度異形柱的承載力、剛度、延性和恢復(fù)力模型等進(jìn)行研究，其研究結(jié)果表明，在周期反復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的底層十字形柱破壞比較嚴(yán)重［3-5］。

（四）型鋼混凝土（SRC）異形柱的抗震性能研究

方林等分別對4個(gè)不同軸壓比、配鋼率、加載方向試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，并且對不同設(shè)計(jì)參數(shù)試件的耗能能力、破壞形態(tài)、滯回性能、骨架曲線、變形能力等進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明 軸壓比、配鋼率、加載方向?qū)υ嚰目拐鹦阅苡胁煌潭鹊挠绊?，隨著軸壓比的增大，峰值荷載增大，延性降低；隨著配鋼率的增大，峰值荷載增大，延性有所增強(qiáng)［6］。

陳宗平等對17個(gè)SRC異形柱試件采用“建研式”加載裝置進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析了SRC異形柱的破壞特點(diǎn)和力學(xué)性能。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：SRC異形柱有兩種破壞形態(tài)分別是是剪切斜壓破壞和彎曲型破壞，其中剪跨比是影響破壞形態(tài)的主要因素，剪跨比小的試件容易發(fā)生剪切變形為主的破壞［7］。

薛建陽等分析了9個(gè)T形、4個(gè)L形和4個(gè)十字形SRC異形柱進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，SRC異形柱框架節(jié)點(diǎn)典型的破壞形態(tài)為節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切斜壓破壞，而且配實(shí)腹式鋼板的SRC異形柱的延性要高于配空腹式SRC異形柱的延性［8］。

三、結(jié)束語

鋼筋混凝土異形柱作為一種建筑結(jié)構(gòu)形式，具有很多優(yōu)點(diǎn)如：改善建筑及使用功能，提高房屋實(shí)際使用面積，美觀適用，降低結(jié)構(gòu)自重提高結(jié)構(gòu)抗震性能等。盡管如此，異形柱結(jié)構(gòu)自身仍存在抗震性能不足的問題。至此作者結(jié)合本文內(nèi)容對鋼筋混凝土異形柱的設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：（1）對于鋼筋混凝土異形柱的設(shè)計(jì)要按照規(guī)范嚴(yán)格的限制其軸壓比；（2）增加配箍率有利于提高鋼筋混凝土異形柱的延性進(jìn)而提高其抗震性能；（3）采用實(shí)腹式SRC異形柱形式的結(jié)構(gòu)其抗震性能能夠得到很大的提高。

［1］趙艷靜，鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系理論與試驗(yàn)研究［D］.天津；天津大學(xué)，2004.

［2］孫林柱，鋼筋混凝土異形柱軸心受壓性能的試驗(yàn)研究［D］.天津；天津大學(xué)，2006.

［3］曹萬林，王光遠(yuǎn)，歐進(jìn)萍，魏文湘，吳建有.周期反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土十字形柱的性能［J］.地震工程和工程振動(dòng)，1994，14（3）：60-67.

［4］曹萬林，王光遠(yuǎn)，吳建有，魏文湘.不同方向周期反復(fù)荷載作用下L形柱的性能［J］.地震工程和工程振動(dòng)，1995，15（1）：67-72.

［5］曹萬林，王光遠(yuǎn).不同方向周期反復(fù)荷載作用下T形柱的性能［J］.地震工程和工程振動(dòng)，1995，15（4）：76-84.

［6］方林，張波，金國芳，李凱文，王志亮.型鋼混凝土十字形異形柱抗震性能試驗(yàn)及有限元分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（3）：1028-1033.

［7］陳宗平，薛建陽，趙鴻鐵，邵永健，趙永宏，門進(jìn)杰.型鋼混凝土異形柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28（3）：53-61.

［8］薛建陽，劉 義，趙鴻鐵，陳宗平.型鋼混凝土異形柱框架節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（5）：42-48.