异形钢管混凝土柱研究综述.docx

异形钢管混凝土柱研究综述异形柱框架结构和传统框架结构相比能有效地改善建筑内部的使用空间，但其抗震性能的严格要求限制了在高设防烈度地区的推广和应用近年来异形钢管混凝土柱由于改善了抗震性能，逐渐得到重视文章总结了异形钢管混凝土结构的研究和应用现状，分析了异形钢管混凝土柱构件、节点、体系的静力性能和抗震性能的优势，揭示了异形钢管混凝土柱力学性能主要因素的影响规律，对其力学性能进行了评价最后对异形钢管混凝土柱在今后的研究方向和进展趋势进行了总结 1、引言 随着国内高层建筑如雨后春笋般拔地而起，异形柱由于其在建筑功能方面的优越性而被广泛采纳异形柱结构体系提高了房屋的有用性和美观性，室内分隔灵活多样，幸免了一般矩形框架结构存在柱角外露的缺陷，便于家具布置，改善室内观瞻随着经济的进展，人们生活水平的改善，具有广阔的进展前景 然而，钢筋混凝土异形柱在研究、推广以及实际工程应用中暴露出一些问题：对水平荷载的方向性非常敏感，荷载作用方向不同，构件及体系的承载力存在较大差异，设计时需取最不利的荷载作用方向；为保证柱子延性要求，需较多的配置箍筋并严格限制轴压比；异形柱现场浇筑复杂，梁柱节点配筋较多，混凝土浇筑质量难以保证；节点截面较小，抗剪承载力有时难以满足要求，在高层建筑及高烈度地震区的应用受限，存在很大的局限性。

《混凝土异形柱结构技术规程JGJ149-20XX》对异形柱结构房屋使用最大高度给出了严格的限制，（见表1）明显小于方、矩形柱的适用高度（见表2），比如7度（0.15g）情况下，异形柱框架结构适用的房屋高度为18m，框架剪力墙结构为35m，而方、矩形柱框架结构的适用高度为50m，框架剪力墙结构为120m，远远大于异形柱结构的房屋适用高度）因此要使异形柱结构得到更为广泛的应用，在层数更多的建筑以及抗震烈度更高的地区得到推广，必须研究如何在不显著增大柱截面的情况下提高柱子承载力、刚度及抗震性能 由于钢管混凝土柱抗震性能优越，于是异形钢管混凝土柱便应运而生异形钢管混凝土柱（截面形式如图1所示）就是将混凝土灌入由钢板焊接而成的异形钢管中，使钢管与核心混凝土共同承受荷载，同时钢管对混凝土的套箍作用约束核心混凝土的横向变形，提高了混凝土的抗压强度，改善了混凝土的延性性能，进而使得异形钢管混凝土柱的抗震性能远远优于一般异形钢筋混凝土柱的抗震性能本文基于国内外专家学者对异形钢管混凝土柱的前期研究工作，对其进行分析汇总，多方面介绍了有关异形钢管混凝土柱的力学性能和抗震性能及工程应用现状，总结了异形钢管混凝土柱今后的研究方向和进展趋势。

2、异形钢管混凝土柱 研究现状及分析 在我国，圆形、方形和矩形钢管混凝土规程已出台，但对异形钢管混凝土研究较少主要局限于哈尔滨工业大学、同济大学、华南理工大学、西安建筑科技大学、天津大学等一些高校的专家学者关于异形钢管混凝土柱的轴压性能、偏压性能、抗震性能、延性性能、滞回性能、节点的力学性能等方面的试验研究以及相当的理论分析，已经有了一定的研究成果，但目前的研究成果还不够系统和成熟 华南理工大学对带约束拉杆的T形、L形钢管混凝土柱的轴压性能进行了试验研究，对构件的受力过程进行有限元分析，分析带约束拉杆异形钢管混凝土柱的受力机理，提出带约束拉杆异形柱的轴心受压承载力和偏心受压承载力的计算方法[3-5]得出以下几点比较有意义的结论：没有约束拉杆的异形钢管混凝土柱，钢管对核心混凝土尽管有约束作用，但并不十分明显，在达到承载能力极限状态时钢管已经发生外部鼓曲，钢管的强度在未能充分发挥之前，试件即发生破坏，所以柱子的强度提高并不显著；约束拉杆对钢管有明显的约束作用，延缓钢管局部屈曲，改善内部混凝土的受力状态，提高混凝土的承载力，延性也得到很大提高，且约束拉杆布置的越紧密，对异形钢管混凝土柱的有利作用越明显。

异形钢管混凝土柱受力不均匀，因而刚度要小于一般方、矩形截面柱 除此之外，同济大学的沈祖炎等，同济大学的吕西林，王丹及哈尔滨工业大学的杨远龙等，分别就异形钢管混凝土柱的轴压承载力和构件与节点的抗震性能进行了研究他们在异形钢管混凝土柱方面的研究，为我们进一步了解和研究异形钢管混凝土柱提供了宝贵的资料 3、异形钢管混凝土柱应用现状 关于异形钢管混凝土柱在我国的应用，这里必须提及一种高层建筑施工的方法—逆作法，它是高层建筑施工中比较先进的施工技术，可以明显缩短施工工期其施工工序如下：首先开挖基坑，以地下建筑物轴线或其他支撑墙体为基础，设置支护结构，然后打桩并浇筑承压柱，完成地面一层楼板面的施工之后，以地面一层楼板面作为支撑地下和地面以上同时开始施工地下施工是从楼板面两侧向下开挖土方，并逐层浇筑混凝土，直至封底与此同时，地上部分也逐层向上施工，直至工程结束正是因为这样地下地上同时反方向施工，所以大大缩短了施工工期，有利于提高工程的综合经济效益 1998年，广州新ZG大厦首次采纳了异形钢管混凝土柱（图2）该工程地下室占地7340m2，地下5层，地上51层为做到全方位逆作法施工，地下室的核心筒剪力墙先不施工浇筑，设计中利用布置在核心筒剪力墙相交和转角等位置处的带约束拉杆异形（矩形、L形及T形）钢管混凝土柱作为临时支撑，地下室施工时再补上所缺的墙段就成为完整的筒体。

由于设有横向约束拉杆，显著提高了异形钢管混凝土柱的延性和承载力，解决了其钢管壁侧向变形大的问题，同时增加了建筑的使用面积；带约束拉杆异形钢管混凝土柱与梁的节点连接进行了改进，使之构造更简单、受力更明确、施工更方便并且造价相对较低[7-10] 此外，异形钢管混凝土柱也在江门中旅大厦、广州名汇商城、广州百货大厦新楼和广州名励大厦等高层建筑的建设过程中得到了成功应用在我国5.12大地震灾后的重建工程中，方钢管混凝土异形柱结构作为一种新型结构在映秀镇渔子溪村的建设中得到了应用方钢管混凝土异形柱是通过缀条或缀板连接单根钢管混凝土柱构成的，其截面形式如图3所示[11] 4、异形截面钢管混凝土柱 静力性能的研究 目前对异形截面钢管混凝土柱静力性能的研究尚不充分，主要集中在以下几个方面：轴压偏压承载力研究，稳定性研究等同济大学的吕西林，王丹[12]对T形和L形钢管混凝土柱进行了低周反复荷载下的拟静力试验试验中考虑了轴压比、钢管壁厚、混凝土强度等级对T形、L形钢管混凝土柱延性和极限承载力的影响得出以下结论：L形、T形柱由于腹板受压造成钢板外鼓明显以致开裂，钢板屈曲部位出现混凝土压碎现象，造成钢管混凝土异形柱承载力下降；T形钢管混凝土柱随轴压比增加，极限荷载提高的幅度减小；L形柱极限承载力随轴压比增加而下降；钢管壁厚增加导致构件极限荷载和延性性能随之提高；两柱的延性都与轴压比负相关，即轴压比越大，构件的延性越差；混凝土强度等级提高对极限荷载增加很明显，而内部混凝土强度等级的变化对延性的作用效果不是十分显著。

同济大学的陈之毅、沈祖炎进行了轴压承载力L形钢管混凝土短柱的试验研究，分别制作了1根L形空钢管短柱作为对比试件，对6根L形钢管混凝土柱进行了轴压试验影响试件的参数因素主要是宽厚比、肢长和有无加劲肋；最后分析和计算了钢管混凝土柱L形截面极限承载力，主要得出如下结论：短肢L形钢管混凝土柱属于压皱破坏，破坏时在柱高中部形成多个峰波；而长肢L形钢管混凝土柱破坏多发生在端部，变形进展不充分；加劲肋可提高短肢柱的延性，对长肢柱轴压承载力和延性无明显作用；L形截面钢管混凝土柱继承了钢管混凝土柱的特性，提高了试件的承载力和稳定性；钢管对提高短肢L形钢管混凝土柱的承载力作用显著，但对长肢柱没有明显影响 武汉大学的杜国锋[14]等在考虑肢宽、肢厚、腹板宽度和管壁厚度等参数的基础上，对组合T形钢管混凝土柱轴心受压性能进行研究，通过轴心受压试验，考察试件的破坏形态，测得试件的荷载―变形曲线，分析各参数对钢管混凝土T形短柱轴心受压力学性能的影响界定了长柱和短柱的长细比范围，得到短柱和长柱的破坏形态，探讨了钢管壁厚、钢材和混凝土的强度对柱的极限承载力影响参考国内外有关矩形钢管混凝土柱承载力的计算理论和计算方法，在分析试验数据的基础上，建立了钢管混凝土T形短柱轴心抗压极限承载力计算公式，公式可供实际工程设计参考。

武汉大学的徐礼华[15]等对T形钢管混凝土组合柱的抗剪和抗弯性能进行了研究，考虑剪跨比、轴压比、套箍指标等参数对试件性能的影响，对试件进行静力加载试验，试验结果表明：试件的抗弯承载能力极限随钢筋强度的提高和钢管壁厚的增大而增大，混凝土强度等级和剪跨比对其影响并不显著，以结构塑性极限理论和经典力学为基础，建立T形钢管混凝土组合柱纯弯极限承载力的计算公式，试件的抗剪承载力随轴压比和套箍指标的提高而增大，随剪跨比的提高而减小，建立了组合T形钢管混凝土试件抗剪承载力的计算公式 厦门理工学院的陈惠满[16]等基于平截面假定和钢筋与混凝土的本构关系，利用截面内力平衡，推导出包含任意截面形状的异形钢管混凝土柱刚度矩阵简便表达式柱截面刚度为钢管和混凝土两部分刚度的叠加，该表达式清楚、简便，适用于任意材料本构关系他们将文中公式分析结果与其它文献实验结果进行了比较，公式分析结果与实验结果正好吻合由他们推导出的计算方法可用于异形钢管混凝土柱正截面承载力分析 内蒙古工业大学的曹玉生[17]采纳逐级增加曲率的方法，使用C++程序设计语言编制计算程序，对异形钢管混凝土柱进行非线性全过程分析。

研究表明，影响异形钢管混凝土截面延性的因素有：荷载角，轴压比，含钢率，钢管等级，混凝土强度和截面大小分析所得数据得：随着钢管强度等级的增加，截面的承载能力、曲率和延性均有所提高；随混凝土强度等级的增加，截面的承载能力增强，但是曲率延性降低同时，对于异形柱截面，随着截面尺寸的增加，截面的曲率延性降低，承载力提高在所有的截面曲率影响因素中，轴压比的影响最大在同等情况下，十字形柱截面的延性最好，T形柱截面次之，L形柱截面延性最差 哈尔滨工业大学的赵毅[18]对T形和十字形钢管混凝土轴压短柱的力学性能进行了研究，分析了设置钢筋加劲肋对一般钢管混凝柱力学性能的影响；利用有限元分析软件BQUS模拟分析异形钢管混凝土轴压短柱的力学性能，并通过试验验证了理论分析结果的正确性，得出结论：钢筋加劲肋使钢板的力学性能得以改善；改变钢筋加劲肋焊点间距可以提高钢板的屈曲承载力；T形钢管混凝土中钢板对核心混凝土约束效果不显著，钢管在破坏时呈现明显的多波屈曲；钢筋加劲肋可有效延缓钢板屈曲的发生，改善柱子的延性；混凝土浇注质量对异形钢管混凝土柱比较重要；钢板屈服强度越高、截面含钢率越大、混凝土强度越低，异形钢管混凝土柱的延性越好（图4）。

哈尔滨工业大学的杨远龙[19]对T形截面钢管混凝土柱的抗震性能展开试验研究，试件为一根不加劲混凝土柱，一根加劲钢管混凝土柱和一根钢筋混凝土柱对比试件（如图5所示），对它们进行压弯滞回性能试验，探讨试件的破坏模式和滞回性能，分析了钢筋加劲肋的作用机理及钢管的约束作用得出结论：钢管混凝土T形柱相比钢筋混凝土T形柱破坏程度小，初始刚度、屈服荷载大，耗能性能好，但延性相比钢筋混凝土弱；带加劲肋的钢管混凝土T形柱相比无加劲肋的力学性能有所改善，屈服荷载和极限承载力提高显著，延性改善不大；加劲肋的设置可能导致钢管过早发生变形，但不会对后期力学性能产生不利影响 目前，对异形截面钢管混凝土柱的静力性能的研究以单一荷载作用为主，而弯剪扭复合受力方面的研究比较少，可以作为以后研究的重点 5、异形截面钢管混凝土柱 节点研究 异形截面钢筋混凝土具有受力截面小，抗剪承载力低，是制约异形柱结构推广和应用的关键因素有关异形截面钢管混凝土柱的节点可以借鉴方钢管。