劉 洋 張 宇 王 麗 焦之森

(齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)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(jié)構(gòu)的住宅(2層～4層的別墅較多)當(dāng)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(shí)際使用功能，大多時(shí)候異形柱的寬度與兩側(cè)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(jìn)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(zhì)又接近短肢剪力墻，使其成本上升，經(jīng)濟(jì)性較差。鋼管混凝土具有造型簡(jiǎn)單、施工方便等特點(diǎn)，其最大的優(yōu)勢(shì)就是使鋼材和混凝土實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)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(dǎo)致構(gòu)件破壞房屋倒塌的現(xiàn)象發(fā)生。如果合理的采用鋼管混凝土形成異形柱一定會(huì)改變鋼筋混凝土異形柱在承載力不足的問題。

對(duì)于鋼管混凝土異形柱我國(guó)的一些學(xué)者和研究人員已經(jīng)有所涉獵，但用現(xiàn)有的研究成果去指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工任重而道遠(yuǎn)。本文就將對(duì)鋼管混凝土異形柱現(xiàn)有的研究成果做一簡(jiǎn)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(jù)其形狀主要分為：L形、T形、十字形；根據(jù)鋼管的位置分為：鋼管外箍式和方鋼管組合式；對(duì)于是否設(shè)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(yàn)法

2009年同濟(jì)大學(xué)的林震宇根據(jù)不同的軸壓比和有無加勁肋的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7根L形外箍式鋼管混凝土柱，采用擬動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)7根L形外箍式鋼管混凝土柱進(jìn)行了抗震性能的研究，得到了加勁肋對(duì)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(xué)的王周泰設(shè)計(jì)了9個(gè)試件，以長(zhǎng)細(xì)比，偏心率，含鋼率和彎矩的作用方向?yàn)榭刂谱兞?，通過這些變量來研究其偏心受壓能力。首先，異形柱在實(shí)驗(yàn)過程中并沒有出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，體現(xiàn)其良好的穩(wěn)定能力；其次，長(zhǎng)細(xì)比的不同呈現(xiàn)了不同的破壞形式，主要出現(xiàn)了剪切破壞和彎曲破壞兩種形式。到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)，彎曲變形對(duì)構(gòu)件的影響比扭轉(zhuǎn)變形的影響更加明顯，扭轉(zhuǎn)變形的影響可忽略不計(jì)；最后，試驗(yàn)結(jié)果表明偏心距、含鋼率、長(zhǎng)細(xì)比對(duì)其力學(xué)性能的影響依次降低[2]。

2019年山東建筑大學(xué)的李明洋對(duì)5組L形方鋼管組合式鋼管混凝土柱進(jìn)行了軸向壓力靜載試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：首先，長(zhǎng)細(xì)比不同的構(gòu)件的破壞形式趨于一致，均出現(xiàn)了整體和局部失穩(wěn)，只是出現(xiàn)的順序不盡相同。長(zhǎng)細(xì)比較小的構(gòu)件先出現(xiàn)局部失穩(wěn)，而長(zhǎng)細(xì)比較大的構(gòu)件先出現(xiàn)整體失穩(wěn)；其次，對(duì)于含鋼率和混凝土強(qiáng)度較高的構(gòu)件，其承載力高、穩(wěn)定性更好，這與我們的專業(yè)常識(shí)相一致，并且其強(qiáng)化階段更加明顯，這里長(zhǎng)細(xì)比較大的構(gòu)件的承載力較長(zhǎng)細(xì)比較小的構(gòu)件的承載力要差，同時(shí)失穩(wěn)也更加明顯；最后，所有試驗(yàn)過程中，均沒有出現(xiàn)鋼管撕裂現(xiàn)象，證明鋼管混凝土異形柱的受力性能優(yōu)良[3]。

2019年天津大學(xué)的周婷在ANSI/AISC360-05，GB 50936和DB29等計(jì)算方法的基礎(chǔ)上增加DB29疊加理論得到了鋼管混凝土異形柱的計(jì)算公式和單肢失穩(wěn)的計(jì)算方法。通過試驗(yàn)對(duì)計(jì)算公式的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好[4]。

2019年宿遷學(xué)院的朱浩對(duì)圖2中的L形鋼管混凝土異形柱的軸心受力進(jìn)行了研究，得到了該柱的荷載—豎向位移曲線、豎向應(yīng)力—應(yīng)變曲線和水平位移曲線，得出了以下結(jié)論：

1)該柱破壞時(shí)只出現(xiàn)了局部失穩(wěn)，并未出現(xiàn)整體失穩(wěn)；

2)在構(gòu)件破壞時(shí)產(chǎn)生了較大形變，并且能夠繼續(xù)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(xié)調(diào)變形能力較弱[8]。文獻(xiàn)[8]由于試驗(yàn)樣本較少，得到的結(jié)果和規(guī)律較少，降低了其參考價(jià)值。

3.2 數(shù)值仿真法

2019年東北石油大學(xué)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(xué)性能研究，主要研究了含鋼率對(duì)L形、T形外箍式鋼管混凝土柱的力學(xué)性能研究的影響。模擬結(jié)果表明含鋼率對(duì)L形、T形外箍式鋼管混凝土柱的力學(xué)性能改善并不理想，因此可以通過降低含鋼率來節(jié)約外箍式鋼管混凝土柱的經(jīng)濟(jì)成本[5]。

文獻(xiàn)[2]運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行了數(shù)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果基本吻合；其次，數(shù)值模擬得到了與試驗(yàn)基本一致的結(jié)果就是偏心距、含鋼率、長(zhǎng)細(xì)比對(duì)其力學(xué)性能的影響依次降低；最后，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到了大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而擬合了單向和雙向偏心受壓承載力公式，公式與數(shù)據(jù)吻合良好。

文獻(xiàn)[3]對(duì)L形方鋼管組合式鋼管混凝土柱軸心受壓力學(xué)性能進(jìn)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(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合良好；其次，研究了含鋼率、鋼材型號(hào)、混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)L形方鋼管組合式鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明鋼材型號(hào)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能影響最為明顯，其對(duì)構(gòu)件的極限承載力可提高27%，而含鋼率、混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件極限承載力提高只有24.2%和6.4%；最后，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出了L形方鋼管混凝土組合異形柱穩(wěn)定承載力公式。

2019年天津大學(xué)的趙炳震運(yùn)用等效剛度和實(shí)際建模的方法對(duì)圖2型式的方鋼管混凝土組合異形柱進(jìn)行分析。得到了方鋼管混凝土組合異形柱的周期、抗側(cè)剛度、層間剪力、剪重比、位移角和位移比等指標(biāo)一致。驗(yàn)證了方鋼管混凝土組合異形柱建模方法的合理性，為后續(xù)的研究提供了基礎(chǔ)[6]。

2019年商丘工學(xué)院的宗景美模擬了9組鋼管混凝土異形柱構(gòu)件，對(duì)柱子的寬度、長(zhǎng)度和高度三方面因素對(duì)其抗震性能的影響進(jìn)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(shí)體單元C3D20R，該單元較為高效可計(jì)算一般的分析工作。文獻(xiàn)[7]的有限元模型并未于已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，因此模擬結(jié)果的有效性有待考究；其次，對(duì)柱子的寬度、長(zhǎng)度和高度三方面因素對(duì)其抗震性能的影響的規(guī)律做出了總結(jié)。寬度的增加對(duì)柱子的水平承載力有所降低。長(zhǎng)度的增加對(duì)柱子的水平承載力會(huì)有所增加，水平位移變化不大。高度的增加也會(huì)對(duì)柱子的水平承載力有所降低；最后，根據(jù)其變化規(guī)律提出工程指導(dǎo)意見，設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格控制鋼管混凝土異形柱的長(zhǎng)細(xì)比，可以適當(dāng)提高柱子的寬度[7]。

4 結(jié)語

我國(guó)在鋼管混凝土異形柱的研究已經(jīng)取得了一些成果，尤其是它的力學(xué)性能，主要表現(xiàn)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(bǔ)鋼筋混凝土的缺點(diǎn)和不足，因此它未來在多層別墅中的應(yīng)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(yīng)用到建筑中還是有一定難度的，尤其是節(jié)點(diǎn)的處理、抗震措施的設(shè)置和耐火性能，還需要大量的試驗(yàn)與研究的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)其施工，因此以上的問題也正是鋼管混凝土研究人員和學(xué)者未來的研究方向。