李長輝，李自林

(1.中國民航大學 機場學院，天津市津北公路2898號 300300；2.河北水利電力學院 土木工程學院，河北省滄州市重慶路1號 061001)

鋼筋混凝土框架結構在許多建筑中得到了應用，但由于鋼筋混凝土立柱力學性能的限制，對于高層結構特別是超高層結構其截面往往偏大，使得墻柱相連處柱子外凸，減小了建筑物室內使用面積，同時使得室內裝飾布置受限，影響視覺審美。

針對鋼筋混凝土柱截面大的缺點，同時考慮結構立柱的受力特性學者們提出了鋼管混凝土柱的概念。關于鋼管混凝土異形柱，許多學者開展了理論研究。董建軍[1]通過對于小高層住宅鋼異形柱支撐框架結構進行整體分析，確定異形柱及支撐的布置方案，對異形柱和鋼梁的連接節(jié)點選用4種方案進行有限元分析，給出各種連接方式下的內力及位移的比較結果。武海鵬[2]基于鋼管混凝土“統一理論”成果及部分試驗結果,研究鋼管混凝土柱截面形狀由三角形、正方形……正n邊形到圓形變化時，鋼管對混凝土約束效應的變化規(guī)律。王冬娜[3]首先闡述了鋼管混凝土異形柱的形式及優(yōu)勢,在此基礎上對鋼管混凝土異形柱的力學性能及抗震性進行了論述。鞏牧華[4]選取鋼筋混凝土異形柱框架、型鋼混凝土異形柱框架和鋼管混凝土異形柱框架，采用有限元分析軟件OpenSees對三者進行Pushover分析，結果表明：型鋼混凝土異形柱框架和鋼管混凝土異形柱框架較鋼筋混凝土異形柱框架在承載能力和位移延性等方面有較大提高。周鳳勤[5]根據鋼筋混凝土梁理論，給出了十字形截面鋼管混凝土異形柱正截面承載力的計算方法。陳海彬[6]以鋼筋混凝土梁設計原理作為依據，給出了L形截面鋼管混凝土異形柱正截面的非線性分析方法。

另外還有一些學者針對鋼管混凝土異形柱開展了試驗研究，如殷飛[7]設計并制作了5個1/30縮尺多腔鋼管混凝土異形柱模型試件，采用擬靜力試驗方法,對各試件的破壞特征、滯回性能、承載力、剛度退化、延性以及耗能能力進行研究。王玉銀[8]進行了3根T形柱的壓彎滯回性能試驗研究，探討了各類試件的破壞模式和滯回力學性能，分析了鋼筋加勁肋的作用機理以及鋼管對混凝土的約束效果。李泉[9]以試件長度、偏心距、偏心方向為試驗參數，設計9個不同長細比的T形方鋼管混凝土組合異形柱試件進行偏心受壓試驗，觀察試件的破壞形態(tài)，得到荷載-應變曲線和荷載-撓度曲線,并分析各參數對試件偏心受壓性能的影響。吳一然[10]對3個T形鋼管混凝土異形柱和工形鋼梁節(jié)點(一個試件為全焊接節(jié)點，兩個為栓焊混接節(jié)點)進行反復荷載試驗，研究了節(jié)點在反復受力過程中的變形特征、承載力退化及能量消耗的能力，研究結論表明T形鋼管混凝土異形柱和工形鋼梁節(jié)點的滯回性能和耗能能力，以及焊縫質量對節(jié)點的承載能力、變形能力和耗能能力都有重要影響。

通過許多學者的研究，證明了鋼管混凝土柱子在建筑結構中的優(yōu)越性，使得這種類型的柱子已經在許多工程中得到了應用，特別是在超高層建筑中，鋼管混凝土異形柱得到了廣泛應用，如北京財富二期辦公樓、大連國貿中心大廈、天津117大廈、北京中國尊大廈等工程。結合實際用鋼量并匹配建筑平面設計，鋼管混凝土建筑中的邊柱、角柱和中柱可以采用L形、T形和十字形異形柱。

通過對于鋼管混凝土異形柱研究成果的分析可知，大多數學者都是集中于對其設計階段受力性能的考慮，而對于在既有普通混凝土結構設計中，采用鋼管混凝土異形柱代替其混凝土立柱進行優(yōu)化設計的研究很少。因此，本文以一棟鋼筋混凝土框架結構為例，結合鋼管混凝土柱受力性能好，截面尺寸小的特點，利用其優(yōu)化鋼筋混凝土框架結構，以增加室內使用面積，為相關結構的設計優(yōu)化提供理論支撐。

1 工程背景

某大廈，地上1-2層為自行車庫，地上3-10層為辦公區(qū)，地下一層為自行車庫，該結構為鋼筋混凝土框架結構，原有立柱設計為鋼筋混凝土結構，地上墻體，外墻填充墻為250mmB06級加氣混凝土砌塊墻，內墻填充墻為蒸壓輕質砂加氣混凝土板材，厚度為200mm、100mm。結構原有立柱為矩形鋼筋混凝土柱，截面尺寸分別為500mm×500mm,700mm×700mm,600mm×600mm,700mm×800mm等幾種尺寸，由于墻柱相連處出現較大陽角，使得室內使用面積減小、裝飾布置受限，并且影響視覺審美要求，所以擬采用箱型鋼管混凝土異形柱等效代替原鋼筋混凝土柱。

2 截面擬定

《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》(GB 50936-2014)[11]4.2.5條規(guī)定，鋼管混凝土構件的截面剛度計算公式為：

EA=EsAs+EcAc

EI=EsIs+EcIc

GA=GsAs+GcAc

式中：EA為鋼管混凝土柱的組合軸壓剛度；EI為鋼管混凝土柱的組合抗彎剛度；GA為鋼管混凝土柱的組合剪切剛度；Es，Ec為鋼管、鋼管內混凝土的彈性模量；Gs，Gc為鋼管、鋼管內混凝土的剪變模量；As，Ac為鋼管、鋼管內混凝土的截面面積；Is，Ic為鋼管、鋼管內混凝土的截面慣性矩。

結合原有混凝土立柱的結構尺寸，在滿足結構受力的條件下，現擬定2種不同方案的鋼管混凝土異形柱尺寸，如表1、圖1和圖2所示。鋼管混凝土異形柱外圍鋼板采用Q345鋼，厚12mm，內部填充C40混凝土。

表1 鋼筋混凝土柱及相應等效鋼管混凝土異形柱初定截面形式及尺寸(mm)Tab.1 Initial section form and size of reinforced concrete columns and corresponding equivalent special-shaped columns(mm)

3 模型的建立

某大廈初始設計為小震彈性，參照《鋼筋混凝土設計規(guī)范》[12]取結構層間位移角1/550。使用箱型鋼管混凝土異形柱等效替換時，參照《鋼管混凝凝土結構技術規(guī)范》，小震彈性取結構層間位移角為1/300。由于結構首層層高最大(4000mm)、長細比最大，按壓彎構件設計計算時，其強度及穩(wěn)定性最不利，所以計算模型取首層柱。軸向荷載選取初始設計中首層柱子軸向力最大值N，水平向荷載以層間位移角控制。計算模型如圖3所示。

圖3 柱子計算模型Fig.3 Column calculation modelΔ/2=θ×L/2=2000/300=6.77mm

由于梁柱剛接的框架產生水平位移后，柱子中點及梁中點處為反彎點，所以取框架柱的一半作為最終計算模型，建立有限元模型進行計算，模型如圖4所示。模型頂部鉸接、底部為固定端；層間位移角θ達到1/300時，對應模型頂部位移：

(a)十字形截面 (b)L形截面 (c)T形截面

(a)L形截面 (b)T形截面 (c)十字形截面

(a)軸測圖

(b)平面圖圖4 計算模型Fig.4 Calculation Model

4 模型分析

利用有限元軟件對各鋼管混凝土異形柱進行計算，各計算模型的軸向力以壓強的形式均勻施加在柱中截面上，分別考慮在等效后T形、L形、十字形3種截面形式異形柱的弱軸加載產生彎矩，計算結果如圖5和圖6所示。

(a)十字形 (b)L形 (c)T形

(a)十字形 (b)L形 (c)T形

通過對各柱子的應力進行分析可以知道：

(1)繞柱截面弱軸產生彎矩時，各異形柱最大應力均發(fā)生在柱子底部，外鋼管底部離中和軸最遠的受壓面屈服，甚至曲屈變形；

(2)對于十字形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應力為342.5MPa，方案2最大應力為232.3MPa，最大應力均出現在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應力；

(3)對于L形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應力為280.4MPa，方案2最大應力為287.5MPa，最大應力均出現在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應力；

(4)對于T形鋼管混凝土異形柱，方案1最大應力為288.7MPa，方案2最大應力為281.6MPa，最大應力均出現在柱底邊緣，小于柱子外圍鋼材的屈服應力。

5 鋼管壁厚參數分析

在鋼管混凝土異形柱設計中，鋼管壁厚是一個重要的參數，因此，結合上述兩方案計算結果，取方案1的L形鋼管混凝土異形柱，方案2的十字形鋼管混凝土異形柱和T形鋼管混凝土異形柱，進一步研究鋼管壁厚對異形柱受力性能的影響。

針對異形柱的鋼管的壁厚取8mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm和20mm進行分析，結果見圖7。

圖7 各鋼管混凝土異形柱應力與鋼管壁厚關系圖Fig.7 Relationship between stress of concrete filled steel tubular special-shaped column and wall thickness of steel tube

通過對各柱子的應力進行分析可以知道：

(1)十字形、L形和T形鋼管混凝土異形柱的最大應力與鋼管壁厚有關系，均隨著壁厚的增加而減小；

(2)十字形鋼管混凝土異形柱最大應力，隨著壁厚的增加非線性減小，且隨著壁厚的增加減小趨勢逐漸變?。?/p>

(3)對于L形鋼管混凝土異形柱最大應力，隨著壁厚的增加基本呈線性減小；

(4)對于T形鋼管混凝土異形柱最大應力，隨著壁厚的增加基本呈線性減小。

6 結論

通過對鋼管混凝土異形柱代替既有設計鋼筋混凝土框架結構立柱的受力分析，可以知道：

(1)采用的等效箱型鋼管混凝土異形柱滿足結構小震彈性的設計要求；

(2)在層間位移角達1/300時，除柱底部屈服及曲屈變形外，柱子主體保持彈性狀態(tài)，對曲屈變形可按本文給出的構造形式予以解決；

(3)在層間位移角達1/300時，模型內澆混凝土有一定的塑性損傷，但在三向受壓下，實際混凝土強度會提高很多，由于本模型計算未考慮此作用，所以結果偏于保守。