葉全喜， 郝 放， 薛炳勇， 李桐棟,3， 朱 林， 劉立悅

(1.河北水利電力學(xué)院土木工程系， 河北 滄州 061001； 2.清華大學(xué)土木系， 北京 100084；3.河北省巖土工程安全與變形控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 滄州 061001)

異形柱作為傳統(tǒng)矩形柱的變形形式，通常截面有T字形、L字形、十字形等多種形式，其柱肢厚度與內(nèi)墻厚相近，可以做到藏柱于墻，從而有效避免室內(nèi)出現(xiàn)陽(yáng)角、柱楞，改善房間的布置效果，提高空間利用率. 異形柱按構(gòu)造組成的不同，可分為鋼筋混凝土異形柱、鋼骨混凝土異形柱、純鋼板異形柱、鋼管混凝土(concrete-filled steel tubular，CFST)異形柱4種類型.

鋼筋混凝土異形柱是最早被大量使用的一種形式，具有尺寸選取靈活、施工制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)理念與鋼筋混凝土短肢剪力墻相似，通過(guò)減小墻肢截面的長(zhǎng)寬比，便可由鋼筋混凝土短肢剪力墻得到鋼筋混凝土異型柱[1]. 鋼骨混凝土異形柱是針對(duì)鋼筋混凝土異形柱承載力偏低、軸壓比限值嚴(yán)格、延性較小等缺點(diǎn)的改進(jìn)形式，其構(gòu)造通常采用鋼筋混凝土異形柱內(nèi)置型鋼鋼骨的形式，通過(guò)鋼骨與鋼筋混凝土的協(xié)同作用，使柱子具有很高的整體承載力、剛度及耐久性. 但當(dāng)各柱肢截面較窄時(shí)，混凝土對(duì)鋼骨的包裹厚度較小，鋼骨與混凝土的協(xié)同工作很難得到保證，受力過(guò)程中混凝土保護(hù)層往往過(guò)早脫落，從而嚴(yán)重影響其承載能力. 與鋼筋混凝土異形柱相比，鋼骨混凝土異形柱的承載能力、延性和變形性能都有明顯提高，但其梁柱節(jié)點(diǎn)仍需較多的鋼筋來(lái)增加其抗剪能力，其構(gòu)造復(fù)雜、施工困難、力學(xué)性能受混凝土影響較大[2-6]，而且應(yīng)用鋼骨混凝土異形柱時(shí)，施工工期仍受混凝土強(qiáng)度的限制. 純鋼板異形柱具有工廠加工便捷、現(xiàn)場(chǎng)安裝施工迅速、無(wú)混凝土工期限制等優(yōu)點(diǎn)，其主要構(gòu)造形式有開(kāi)口式和閉口式2種. 其中，開(kāi)口式主要采用以H型鋼[7-9]或方鋼管為中心[10]，腹板焊接T型鋼的方式，其力學(xué)性能受自身穩(wěn)定性的影響較大，且梁柱連接時(shí)需要在柱肢相對(duì)梁翼緣的位置焊接尺寸較大的水平隔板保證荷載的有效傳遞及節(jié)點(diǎn)域的穩(wěn)定，而較大的水平隔板會(huì)造成室內(nèi)凸角明顯，影響建筑美觀性；閉口式主要采用冷彎方鋼管為中心，柱面焊接冷彎槽鋼的方式[11-13]，這種構(gòu)造形式的異形柱受冷彎鋼管角部圓弧的影響會(huì)漏出柱角，給后期的室內(nèi)裝修及布局造成很大困難.

鋼管混凝土異形柱是以上3種類型異形柱的綜合改進(jìn)形式，其外部的鋼管通常由數(shù)塊鋼板整體焊接形成箱形截面，內(nèi)部澆筑混凝土. 鋼管混凝土異形柱的工作機(jī)理主要包括外鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用及二者之間的黏結(jié)作用兩方面，按柱頂荷載作用方式不同主要可分為軸壓和壓彎2種作用情況. 1)大量軸壓試驗(yàn)[14-16]研究表明，軸壓作用下鋼管混凝土異形柱對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用主要集中在柱子角部，各柱肢中部的約束最弱，幾乎為零，柱肢短邊對(duì)核心混凝土的約束明顯高于長(zhǎng)邊，并且柱肢長(zhǎng)邊比其短邊更容易發(fā)生局部穩(wěn)定問(wèn)題；黏結(jié)作用能直接影響外鋼管與內(nèi)部混凝土的協(xié)調(diào)變形能力，但當(dāng)鋼管與混凝土共同受荷時(shí)，黏結(jié)作用對(duì)鋼管混凝土異形柱的軸壓性能影響較小[17]. 2)壓彎試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析表明[18-19]，壓彎作用下柱肢受壓區(qū)的外鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用與軸壓作用時(shí)相似，主要集中在柱肢角部，且隨著偏心距的增大而減?。辉谑芾瓍^(qū)，外鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用非常小，黏結(jié)作用與軸壓作用時(shí)相似. 此外，鋼管混凝土異形柱對(duì)應(yīng)的梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造選擇性也較多，可參照文獻(xiàn)[20]推薦的傳統(tǒng)鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式選取.

本文擬對(duì)鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析其存在的不足之處，指出今后需要進(jìn)一步深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題.

1 鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究主要集中在異形柱本身的構(gòu)造改進(jìn)和相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造創(chuàng)新兩方面.

1.1 鋼管混凝土異形柱構(gòu)造改進(jìn)方面

鋼管混凝土異形柱是由普通鋼管混凝土柱演變而來(lái)，其設(shè)計(jì)原理與鋼管混凝土柱基本相似[20]. 普通鋼管混凝土異形柱截面形式主要有如圖1所示3種形式，目前的研究主要集中在T形和L形2種形式. 文獻(xiàn)[21]對(duì)T形和L形普通鋼管混凝土異形柱的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，考慮剪跨比、軸壓比、鋼板厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)其抗剪、延性和極限承載力的影響. 研究表明：外鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用主要集中在各陽(yáng)角處，陰角處鋼板與混凝土容易出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，中部依靠鋼板的抗彎剛度約束混凝土外凸變形的效果不理想. 柱子在側(cè)向荷載作用下，受壓一側(cè)鋼板在雙向應(yīng)力及內(nèi)部混凝土向外膨脹作用下，很容易在屈服前發(fā)生向外鼓曲，甚至鼓曲部位出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象.

圖1 普通鋼管混凝土異形柱Fig.1 Common combination box-shaped steel plate special-shaped columns

針對(duì)普通鋼管混凝土異形柱過(guò)早發(fā)生局部屈曲以及陰角處鋼管和混凝土脫離的問(wèn)題，學(xué)者們以增強(qiáng)鋼管與混凝土協(xié)調(diào)工作和增強(qiáng)鋼管對(duì)混凝土的約束作用、減小柱內(nèi)單元尺寸以增加單元內(nèi)各鋼板穩(wěn)定性2種思想為基礎(chǔ)，提出諸多改進(jìn)措施.

1.1.1 增強(qiáng)鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用

這種思想的改進(jìn)措施主要有帶約束拉桿或加勁肋的鋼管混凝土異形柱2種形式.

蔡健團(tuán)隊(duì)提出沿鋼板添加具有約束鋼板外凸變形作用的水平拉桿的改進(jìn)措施，并對(duì)方形、矩形、T形和L形截面形式的柱子進(jìn)行試驗(yàn)及理論分析，給出不同截面形式時(shí)柱子的本構(gòu)關(guān)系[22-27]. 其研究表明：約束拉桿可以改變鋼管的屈曲模態(tài)，延遲鋼管的局部屈曲，進(jìn)而改善柱子中部鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，提高鋼管混凝土軸壓短柱的承載力和延性. 改進(jìn)后的構(gòu)造如圖2所示.

圖2 帶約束拉桿鋼管混凝土異形柱Fig.2 CFST special-shaped columns with binding bars

王玉銀等[28]提出在異形鋼管內(nèi)部焊接鋼筋加勁肋的構(gòu)造措施，并對(duì)普通鋼管混凝土異形柱、帶鋼筋加勁肋的鋼管混凝土異形柱、鋼筋混凝土柱的壓彎滯回性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究. 結(jié)果表明：鋼筋加勁肋能有效限制鋼板中央和陰角處位移，保證鋼管和混凝土共同工作；相比其他2種柱，設(shè)置鋼筋加勁肋的試件具有更好的初始剛度承載力和延性. 改進(jìn)后的異形柱構(gòu)造如圖3所示.

圖3 帶加勁肋的鋼管混凝土異形柱Fig.3 CFST special-shaped columns with stiffening ribs

Zheng等[29]對(duì)帶角鋼加勁肋的鋼管混凝土異形柱的軸壓性能進(jìn)行有限元模擬，并參照EC4對(duì)其參數(shù)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終給出新的設(shè)計(jì)方法，有限元分析模型如圖4所示.

圖4 帶角鋼加勁肋的鋼管混凝土異形柱Fig.4 CFST special-shaped columns with angle steel stiffener

Xu等[30]對(duì)帶8個(gè)鋼筋加勁的T形鋼管混凝土異形柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，并給出該異形柱穩(wěn)定承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式. 結(jié)果表明：鋼筋加勁肋可以很好地限制鋼管角部的變形，增強(qiáng)鋼管與混凝土的協(xié)調(diào)工作能力及柱子整體的承載力和延性性能，柱子構(gòu)造如圖5所示.

圖5 帶鋼筋加勁肋的鋼管混凝土異形柱Fig.5 CFST special-shaped columns with reinforcement stiffener

1.1.2 增加柱肢單元內(nèi)各鋼板穩(wěn)定性

這種思想主要通過(guò)減小柱內(nèi)單元尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)措施主要有多腔式鋼管混凝土異形柱、綴材連接的鋼管混凝土異形柱2種形式.

郝際平等[31]提出一種以多腔式一字型鋼管混凝土柱為基本單元組成各種截面形式的鋼管混凝土異形柱，單元柱及連接方式構(gòu)造見(jiàn)圖6.

圖6 多腔鋼管混凝土柱Fig.6 Multi-core CFST column

劉林林等[32]提出一種多室式T型鋼管混凝土異形柱，構(gòu)造如圖7所示. 徐禮華等[33]、杜國(guó)鋒等[34]提出一種內(nèi)澆混凝土、外圍由2個(gè)矩形鋼管焊接而成的T型鋼管混凝土異形柱，其構(gòu)造見(jiàn)圖8. 李泉等[35]提出一種由多個(gè)方鋼管作為基礎(chǔ)單元構(gòu)件，通過(guò)焊接組成T形、L形及十字形外鋼管，內(nèi)部澆筑混凝土的鋼管混凝土異形柱，其構(gòu)造如圖9所示.

圖7 T形多室式鋼管混凝土異形柱Fig.7 Multi-cell CFST T-shaped column

圖8 T形鋼管混凝土異形柱Fig.8 CFST T-shaped column

圖9 方鋼管鋼管混凝土異形柱Fig.9 CFST special-shaped column with square steel tubular

這幾種構(gòu)造形式都是以實(shí)腹柱為研究對(duì)象，在柱內(nèi)形成多腔，并且柱子的陰角處均有貫通的鋼板，從而增加了外鋼管對(duì)混凝土的約束作用.

陳志華等[36-37]、Zhou等[38-39]、Xiong等[40]提出綴材連接的鋼管混凝土異形柱，綴材可采用鋼條、鋼板或鋼管支撐. 構(gòu)造形式為：各方鋼管混凝土柱中部連接鋼條、鋼板，其中采用單層鋼板時(shí)可開(kāi)孔，也可采用雙層鋼板且中間澆筑混凝土的形式，進(jìn)而與方鋼管形成整體截面為十字型、T形、L形的柱束結(jié)構(gòu). 研究結(jié)果表明：雙層鋼板間澆筑混凝土形式的異形柱以外鋼板局部鼓曲為主，綴材或鋼板連接的形式以綴材或鋼板屈曲破壞為主. L形的柱束結(jié)構(gòu)如圖10所示.

圖10 3種L形鋼管混凝土柱束Fig.10 Three L-shaped CFST columns

趙宇錚等[41]提出一種由方鋼管支撐連接的格構(gòu)式L形寬肢鋼管混凝土異形柱，其構(gòu)造如圖11所示，用方鋼管支撐連接各方鋼管混凝土柱角部，形成整體截面為L(zhǎng)形的柱束結(jié)構(gòu). 試驗(yàn)研究表明：該異形柱在壓彎荷載作用下，方鋼管支撐的連接處受剪破壞，焊縫斷裂.

圖11 L形寬肢鋼管混凝土異形柱Fig.11 Wide flange L-shaped CFST special-shaped columns

這2種構(gòu)造方式都是以格構(gòu)式柱束為研究對(duì)象，其端部的熱軋方鋼管自身尺寸較小且具有很高的穩(wěn)定性，通過(guò)綴材連接后形成剛度更大的異形柱束結(jié)構(gòu).

1.2 相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造創(chuàng)新方面

鋼管混凝土異形柱的梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)相似，但由于異形柱的柱肢寬度很小，通常為200 mm左右，因此當(dāng)其梁柱節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)內(nèi)隔板連接構(gòu)造時(shí)，內(nèi)隔板的焊接施工困難且不利于混凝土澆筑，采用外環(huán)板連接構(gòu)造時(shí)，其用鋼量及尺寸均較大，影響建筑美觀的問(wèn)題仍無(wú)法避免.

在確保荷載能很好地傳遞到節(jié)點(diǎn)核心區(qū)而又避免出現(xiàn)上述問(wèn)題的前提下，鋼管混凝土異形柱的梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究改進(jìn)方案. 按傳力構(gòu)件與柱肢鋼管的相對(duì)位置，改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)可分為：

1) 傳力構(gòu)件在鋼管內(nèi)部式，這種節(jié)點(diǎn)主要有穿心式連接(梁貫通式[42-43]、穿心螺栓式[44-45]、穿心板式[46-47]、穿心螺栓與穿心板混用式[48])、內(nèi)錨式連接[49]、半內(nèi)隔板式連接[50]、內(nèi)隔板(單邊不焊接)- 栓釘式連接[51]等形式.

2) 傳力構(gòu)件在鋼管外部式，主要有加勁肋式連接(外貼T型加勁肋式[52]、三角形或梯形加勁板式連接[53-54])、外套筒式連接[55]等形式.

1.2.1 傳力構(gòu)件在外鋼管內(nèi)部式連接

Azizinamini等[42]提出一種梁貫通的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖12，并初步提出梁貫穿節(jié)點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)方法，未考慮柱軸向荷載對(duì)連接的影響.

圖12 梁貫通式節(jié)點(diǎn)Fig.12 Beam through joint

Elremaily等[43]對(duì)7個(gè)梁貫通鋼管混凝土比例試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，該連接形式滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求，具有較好的塑性承載力和延性，破壞形式包括柱破壞、梁破壞、節(jié)點(diǎn)域破壞.

鄭龍等[44]對(duì)鋼管混凝土柱- 鋼梁穿心螺栓外伸端板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)研究，節(jié)點(diǎn)形式如圖13所示，試驗(yàn)研究了該種節(jié)點(diǎn)的破壞變形、承載能力等性能. 試驗(yàn)結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)的抗連續(xù)倒塌能力高于抗彎能力，節(jié)點(diǎn)破壞分為梁機(jī)制階段、混合機(jī)制階段、懸鏈線機(jī)制階段及破壞階段.

圖13 穿心螺栓- 端板式節(jié)點(diǎn)Fig.13 Through bolt-end plate joint

楊松森等[45]提出一種裝配式外套筒加強(qiáng)型梁柱連接節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)造如圖14所示. 該節(jié)點(diǎn)的單調(diào)及低周往復(fù)加載試驗(yàn)表明：該節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨加載位移的增大而減小，節(jié)點(diǎn)具有很好的變形及耗能能力.

圖14 套筒- 外伸端板組件梁柱連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.14 Construction of beam-to-column connection Joints for outer sheath-extended endplate components

徐禮華[46]等提出一種雙側(cè)板貫穿式方鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)，對(duì)6組共17個(gè)十字形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，節(jié)點(diǎn)形式如圖15所示. 結(jié)果表明：穿心板的長(zhǎng)度影響塑性鉸的位置，雙側(cè)貫穿節(jié)點(diǎn)可以減小上翼緣與鋼管的應(yīng)力梯度. 該節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、延性等受力性能都較好.

圖15 雙側(cè)板貫穿式節(jié)點(diǎn)Fig.15 Double side plates through joint

Torabian等[47]提出一種柱對(duì)角穿心板式梁柱連接節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造如圖16所示，并對(duì)其抗震性能進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)分析.

圖16 柱對(duì)角穿心板節(jié)點(diǎn)Fig.16 Column diagonal through plate joint

Ding等[48]提出一種穿心板與穿心螺栓混合使用的鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行單調(diào)及低周往復(fù)的滯回加載試驗(yàn)，研究該節(jié)點(diǎn)的破壞模式、剛度、強(qiáng)度及耗能性能，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖17所示.

圖17 混合穿心節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.17 Structure of hybrid through joint

Choi[49]提出一種內(nèi)錨式鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn). 在該節(jié)點(diǎn)柱內(nèi)平行于鋼梁上翼緣位置采用十字板、平行于下翼緣位置采用水平T形加勁板或在平行于腹板位置布置帶螺釘?shù)呢Q向板，以完成荷載由梁端向柱內(nèi)部的傳遞. 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖18所示.

圖18 內(nèi)錨固式節(jié)點(diǎn)Fig.18 Specimens of internal anchor type joint

Kim等[50]以槽鋼內(nèi)焊接半內(nèi)隔板的形式作為基礎(chǔ)構(gòu)件組成外鋼管，從而有效解決傳統(tǒng)鋼管柱焊接內(nèi)隔板困難的問(wèn)題. 對(duì)該鋼管混凝土柱- 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖19所示.

圖19 半內(nèi)隔板式連接節(jié)點(diǎn)Fig.19 Semi inner diaphragm joints

王先鐵[51]針對(duì)方鋼管混凝土內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中存在的問(wèn)題提出穿芯高強(qiáng)螺栓- 端板、隔板單邊貫通柱壁板、節(jié)點(diǎn)域設(shè)置錨固T形件、隔板單邊不焊但設(shè)置圓柱頭栓釘?shù)榷喾N形式的節(jié)點(diǎn)，對(duì)8組共24個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載的擬靜力試驗(yàn)，對(duì)這一系列節(jié)點(diǎn)的滯回性能、破壞模式、強(qiáng)度及剛度退化等力學(xué)性能進(jìn)行分析.

1.2.2 傳力構(gòu)件在外鋼管外部式連接

Shin等[52]對(duì)采用T形加勁肋的鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖20所示. 結(jié)果表明：T形加勁肋可以很好地傳遞外荷載，試件的延性能力超過(guò)了AISC抗震規(guī)范中特殊彎矩框架連接的要求.

圖20 T形加勁肋節(jié)點(diǎn)Fig.20 T-stiffener joint

郭志鵬[53]提出外焊三角形加勁的帶Z字形懸臂梁段和削弱梁段的方鋼管柱- H型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)，并對(duì)該節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行滯回加載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：三角形加勁肋可以有效地傳遞外荷載到柱子兩側(cè)翼緣，節(jié)點(diǎn)整體構(gòu)造如圖21所示.

圖21 三角形加勁肋節(jié)點(diǎn)Fig.21 Triangular stiffener joint

Liu等[54]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)對(duì)比分析了梯形外貼加勁板式T字形鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)與隔板貫通式T字形鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)的傳力模式、失效模式及抗震性能.

馬榮全等[55]對(duì)格構(gòu)式及實(shí)腹式異形柱的梁柱節(jié)點(diǎn)采用外焊三角加勁肋、梯形加勁肋的形式，將外荷載傳遞到柱肢腹板上，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖22所示.

圖22 2種外焊加勁肋節(jié)點(diǎn)Fig.22 Two kinds of externally welded stiffener joints

2 鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀分析

2.1 鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究方法

1)鋼管混凝土異形柱的研究以軸壓、壓彎性能為主，主要研究柱子在軸向及側(cè)向荷載作用下鋼管與內(nèi)部混凝土的相互作用機(jī)制及協(xié)調(diào)變形能力.

2)鋼管混凝土異形柱相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究主要以擬靜力的單調(diào)加載、低周往復(fù)滯回加載2種方式進(jìn)行. 其中單調(diào)加載主要研究節(jié)點(diǎn)的初始剛度、加載過(guò)程、延性、承載力等性能；滯回加載主要考察節(jié)點(diǎn)的耗能、剛度退化等抗震性能.

2種情況的試驗(yàn)研究中，柱子兩端基本按鉸接處理，柱端的試驗(yàn)連接裝置成為模擬此邊界條件的關(guān)鍵所在. 目前大多數(shù)試驗(yàn)均以刀鉸裝置來(lái)模擬鉸接邊界條件， 但當(dāng)構(gòu)件發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)變形時(shí)，刀鉸往往不能有效控制柱端，容易發(fā)生安全事故. 鉸接柱靴裝置與柱端、千斤頂加載端連接便捷，安全可靠，可以防止柱端平面外失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)柱端加載平面內(nèi)的鉸接功能，但其造價(jià)較高. 鉸接柱靴的構(gòu)造如圖23所示.

圖23 鉸接柱靴Fig.23 Hinged column base

2.2 鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)

1) 截面尺寸選取靈活. 鋼管混凝土異形柱的外部箱形鋼管可由數(shù)塊鋼板焊接而成，截面尺寸可根據(jù)自身需求靈活選取.

2) 承載力高. 外圍鋼板焊接成的箱形鋼柱可為內(nèi)部混凝土提供一定套箍作用，約束核心混凝土的橫向變形，進(jìn)而提高混凝土的承載能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性.

3) 梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、構(gòu)造形式選擇性多. 與鋼梁相連接時(shí)，可借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究改進(jìn)方案，采用適合的構(gòu)造方式.

4) 施工工期短. 外圍箱形鋼管可以獨(dú)立承載，因此柱內(nèi)混凝土澆筑完成便可繼續(xù)施工，進(jìn)而縮短施工周期.

2.3 鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的不足之處

1) 外部鋼管與混凝土協(xié)調(diào)工作方面. 盡管很多學(xué)者已經(jīng)就此問(wèn)題提出一些改進(jìn)措施，但目前仍存在一些問(wèn)題：采用的約束拉桿通常為高強(qiáng)螺栓，沿柱高布置時(shí)所需數(shù)量很大，柱子整體造價(jià)提高；采用焊接加勁肋時(shí)，由于加勁肋的焊接無(wú)法實(shí)現(xiàn)工廠機(jī)械化，人工焊接的工藝要求高且造價(jià)過(guò)大；采用綴條(鋼板)連接的格構(gòu)式(實(shí)腹式)異形柱，各端柱截面寬度往往大于中間綴材的厚度，室內(nèi)裝修時(shí)需要大量封板，這些均會(huì)大幅度增加結(jié)構(gòu)造價(jià).

2) 外部鋼管構(gòu)造組成方面. 目前外部鋼管均由數(shù)塊鋼板焊接而成，其內(nèi)部還要焊接大量的加勁肋. 這樣大量的焊接工作不僅會(huì)改變箱型鋼管的初始受力狀態(tài)，使其具有較大的初始缺陷，而且會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力. 文獻(xiàn)[56]研究表明殘余應(yīng)力及初始缺陷均會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力及抗震性能.

3) 外部鋼管間的連接構(gòu)造方面. 外部鋼管作為豎向連接構(gòu)件，其連接節(jié)點(diǎn)的剛度及抗震性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)至關(guān)重要. 采用傳統(tǒng)高空焊接的方式可以實(shí)現(xiàn)連接剛度的設(shè)計(jì)，但現(xiàn)場(chǎng)高空焊接施工困難，焊接質(zhì)量難以保證. 目前對(duì)外部鋼管間連接的構(gòu)造創(chuàng)新研究還很少，文獻(xiàn)[57-58]提出采用高強(qiáng)螺栓、帶內(nèi)套筒的柱座法蘭實(shí)現(xiàn)上下相鄰鋼管的連接方式. 但采用柱座法蘭連接時(shí)，鋼管柱所需法蘭盤(pán)較大，影響室內(nèi)布局，且高強(qiáng)螺栓連接內(nèi)套筒與箱型鋼管時(shí)的施工操作非常困難.

4) 相應(yīng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造創(chuàng)新方面. 目前針對(duì)鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)內(nèi)隔板連接構(gòu)造及外環(huán)板連接構(gòu)造出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造改進(jìn)研究有很多，但是普通鋼管混凝土柱截面長(zhǎng)寬比均小于2，組合箱型鋼板異形柱的各柱肢長(zhǎng)寬比通常在2～4，其截面相對(duì)復(fù)雜很多，現(xiàn)有關(guān)于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的改進(jìn)措施能直接應(yīng)用于鋼管混凝土異形柱梁柱節(jié)點(diǎn)的還很少.

5) 鋼管混凝土異形柱的防火、防銹方面. 由于鋼管混凝土異形柱的外鋼管基本采用普通鋼材，銹蝕、過(guò)火都將嚴(yán)重影響鋼管混凝土異形柱的力學(xué)性能，盡管目前對(duì)普通鋼材的防火、防銹處理方式已有多種形式，但都無(wú)法從根本上解決問(wèn)題.

3 鋼管混凝土異形柱及相應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)仍需深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題

綜合目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究情況，鋼管混凝土異形柱仍需深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題有如下幾個(gè)方面：

1) 提高鋼管混凝土異形柱的整體協(xié)調(diào)變形能力. 鋼管混凝土異形柱的外部箱形鋼管與內(nèi)部混凝土間的摩擦力很小，在很小的層間位移角下，二者就會(huì)脫離. 目前提出的設(shè)置高強(qiáng)螺栓為約束拉桿、采用加勁肋、采用綴條(鋼板)連接的格構(gòu)式(實(shí)腹式)異形柱等改善協(xié)調(diào)變形的構(gòu)造措施均會(huì)很大程度上增加結(jié)構(gòu)造價(jià)，嚴(yán)重制約箱形鋼板異形柱的應(yīng)用推廣，因此創(chuàng)新構(gòu)造、提高箱形鋼板異形柱的整體協(xié)調(diào)變形能力是今后需要繼續(xù)深入研究的一個(gè)方面.

2) 創(chuàng)新出焊接量少、易加工、低造價(jià)的外部箱形鋼管構(gòu)造組成方式. 外部箱形鋼管及其內(nèi)部橫隔板、加勁肋的整體焊接量較大，由此帶來(lái)的造價(jià)提高在所難免；此外由于異形柱中箱形鋼管的截面尺寸較小，通常為200 mm，與內(nèi)隔墻等寬，當(dāng)在其內(nèi)部焊接加勁肋時(shí)，施工難度較大. 例如筆者提出的一種利用熱軋H型鋼作為組裝單元柱的裝配式H型鋼箱形組合異形柱，該柱可通過(guò)H型鋼單元柱間的鎖鉤緊密連接，并且充分利用熱軋H型鋼自身的局部穩(wěn)定性以及腹板充當(dāng)橫隔板的構(gòu)造優(yōu)勢(shì)來(lái)避免大量的焊接工作，大幅簡(jiǎn)化制作工藝、降低制作成本. 該類型異形柱可形成L形、T形、十字形等形狀，鎖鉤澆注在混凝土中還能起到栓釘?shù)淖饔?，防止箱形鋼管與混凝土脫離. 這種易裝配、易加工、低造價(jià)、少焊接量的構(gòu)造形式也是箱形鋼板異形柱今后需要深入研究的一個(gè)方面.

3) 創(chuàng)新相鄰?fù)獠夸摴艿倪B接方式. 現(xiàn)有研究中主要借鑒傳統(tǒng)鋼管混凝土柱的連接方式，以單層法蘭連接、多層柱中連接2種方式為主. 但由于鋼管混凝土異形柱截面相對(duì)復(fù)雜，采用單層法蘭連接時(shí)，需要設(shè)置較大的法蘭盤(pán)及較多的高強(qiáng)螺栓來(lái)抵消抗彎剪作用，其構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)較高. 采用多層柱中連接時(shí)，將連接點(diǎn)設(shè)置在柱中的反彎點(diǎn)處，可僅考慮連接的剪切作用. 但通常這種連接方式中高強(qiáng)螺栓的擰緊施工困難，連接的緊密程度難以保障. 文獻(xiàn)[59]基于傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓提出的由限制螺母位置的三角盒和傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓組成單邊連接方式，可有效避免傳統(tǒng)高強(qiáng)螺栓擰緊困難的問(wèn)題. 此外，目前關(guān)于環(huán)槽鉚釘?shù)难芯恳延泻芏啵h(huán)槽鉚釘具有連接方便、單邊操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，也可有效解決上述高強(qiáng)螺栓擰緊困難的問(wèn)題. 這種簡(jiǎn)化連接施工工藝、創(chuàng)新連接構(gòu)造的方式也是今后需要繼續(xù)深入研究的一個(gè)方面.

4) 創(chuàng)新鋼管混凝土異形柱梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造方式. 由于鋼管混凝土異形柱的柱肢長(zhǎng)寬較大、截面構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，因此如何在現(xiàn)有鋼管混凝土柱- 鋼梁節(jié)點(diǎn)的各種改進(jìn)研究方案基礎(chǔ)上，創(chuàng)新出造價(jià)低、施工便捷、傳力明確的適用于鋼管混凝土異形柱的新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是今后需要繼續(xù)深入研究的一個(gè)方面.

5) 創(chuàng)新不同種類材料在外鋼管構(gòu)造中的應(yīng)用. 使用防銹、防火材料制作外套管，可以從根本上解決普通鋼材的銹蝕、不防火缺陷. 目前，關(guān)于不銹鋼鋁合金、復(fù)合鋼、耐火耐候鋼等材料在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究已趨于成熟，這些具備特殊性能的材料都能很好應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中，這些新材料在外鋼管構(gòu)造中的應(yīng)用也是今后需要繼續(xù)深入研究的一個(gè)方面.

6) 創(chuàng)新裝配式鋼結(jié)構(gòu)中鋼管混凝土異形柱的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 近年以來(lái)，以全壽命周期綠色建筑為基本理念的裝配式鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速. 鋼管混凝土異形柱可以作為工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件，將異形柱的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)帶入裝配式鋼結(jié)構(gòu)中，能夠豐富裝配式鋼結(jié)構(gòu)(特別是住宅)的選型設(shè)計(jì). 但是目前鋼管混凝土異形柱在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的研究應(yīng)用還比較少，其在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用也是今后需要深入研究的一個(gè)方面.

總之，鋼管混凝土異形柱不僅具有承擔(dān)豎向荷載、提供水平抗側(cè)剛度、避免室內(nèi)出現(xiàn)陽(yáng)角、改善房間布置效果、提高空間利用率、梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可選擇性多等優(yōu)點(diǎn)，其構(gòu)造形式及受力特征也符合以全壽命周期綠色建筑為基本理念的裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求. 因此，創(chuàng)新研發(fā)出整體變形協(xié)調(diào)性好、焊接量少、造價(jià)低、傳力明確、易裝配的柱子及其梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的前景良好，且必將為今后鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供有力支撐.