鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)分析

郭 翔

0 引言

異形柱結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)中后期被提出的一種經(jīng)濟(jì)型結(jié)構(gòu)形式，其主要應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中，將柱隱于墻內(nèi)，即使用異形截面取代普通矩形柱，使得室內(nèi)墻面平整，擴(kuò)大了建筑使用面積，提高了建筑的靈活布置，同時(shí)改善了室內(nèi)空間視覺效果。

1 鋼筋混凝土異形柱的研究現(xiàn)狀

1.1 國外關(guān)于鋼筋混凝土異形柱的研究現(xiàn)狀

國外對(duì)異性鋼筋混凝土異形柱框架體系的研究工作可追溯到30年前，對(duì)鋼筋混凝土異形柱的研究比較全面，涉及T形、L形和十字形等截面。美國學(xué)者Joaquin Marin在20世紀(jì)70年代就進(jìn)行了第一根鋼筋混凝土L形短柱的全過程分析，通過大量L形短柱試驗(yàn)和理論研究，給出了承載力相關(guān)曲線[1]。1983年，印度學(xué)者L.N.Ramamurthy和 T.A.Hafeez Khan分別對(duì)等肢和不等肢 L形截面雙向偏壓柱進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。美國學(xué)者M(jìn).D.Davister于1986年對(duì)不規(guī)則的雙向偏壓柱進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，提出了兩種簡易的計(jì)算分析L形柱的極限承載力的方法。1989年～1993年，美國學(xué)者Cheng-Tzu和Thomas Hsu對(duì)L形、槽形和T形雙向偏壓柱分別進(jìn)行了全過程分析，最后歸納出強(qiáng)度相關(guān)曲線和荷載等值線，對(duì)不同截面形式的柱提出了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，以便設(shè)計(jì)應(yīng)用[2]。1992年和1993年，印度學(xué)者 MallikarJunal和P.Mahadevappa先后對(duì)于雙向壓彎的L形和T形截面的鋼筋混凝土柱利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析，并給出相應(yīng)的圖表和Fortran程序。1996年，印度學(xué)者S.N.Sinha對(duì)不同截面尺寸和構(gòu)造配筋的雙向偏壓的十字形柱進(jìn)行了研究，并繪制出該類雙向壓彎構(gòu)件的相關(guān)曲線，分析了不同配筋形式對(duì)承載力的影響。

1.2 國內(nèi)關(guān)于鋼筋混凝土異形柱的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的研究開始于20世紀(jì)90年代中后期。這期間土木領(lǐng)域各高校及研究所相繼就異形柱課題進(jìn)行了雙向偏壓和抗震性能的系列研究。1992年～1994年，河北工業(yè)大學(xué)先后完成了對(duì)L形、T形、十字形柱的抗震性能的試驗(yàn)研究，為進(jìn)行不同水平地震作用方向下異形柱的抗震性能研究初步奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。1993年，大連理工大學(xué)對(duì)T形、十字形、L形柱進(jìn)行了雙向偏壓性能的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，異形柱雙向偏壓正截面工作機(jī)理與單向偏心受壓構(gòu)件相似[3]。1995年，華南理工大學(xué)與廣東房地產(chǎn)開發(fā)設(shè)計(jì)院合作，對(duì)T形、L形柱進(jìn)行了雙向偏壓試驗(yàn)研究，并推導(dǎo)出T形、L形正截面承載力的實(shí)用計(jì)算公式。1995年～2004年北京工業(yè)大學(xué)曹萬林對(duì)L形、T形和十字形截面柱在工程軸方向、垂直于工程軸方向、與工程軸呈45°方向進(jìn)行了水平周期反復(fù)荷載下的試驗(yàn)研究，研究了暗柱對(duì)L形、T形和十字形柱抗震能力的影響，以及鋼骨混凝土異形截面柱的抗震性能[4]。1997年～2002年，天津大學(xué)對(duì)T形、L形和十字形異形柱進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算程序模擬及非線性全過程分析，數(shù)值擬合得到偏心距增大系數(shù)的統(tǒng)一計(jì)算公式。2001年，中國建筑科學(xué)研究院對(duì)國內(nèi)外進(jìn)行過的18根L形偏心受壓柱強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，給出了L形雙向偏壓柱的實(shí)用計(jì)算公式。2003年，同濟(jì)大學(xué)研究了Z形、L形和寬肢異形柱在低周反復(fù)荷載作用下的抗剪性能。2005年，西安理工大學(xué)對(duì)6根鋼骨混凝土異形柱、3根T形截面柱、3根L形截面柱和2根普通鋼筋混凝土異形柱、1根T形截面柱、1根L形截面柱做不同軸壓比下承受水平周期性荷載時(shí)的對(duì)比試驗(yàn)[5]。

2 鋼筋混凝土異形柱的特點(diǎn)

在很多住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往采用與填充墻同厚的T形、L形、十字形等異形截面混凝土柱，這種做法保證柱肢寬度與墻體厚度相同，避免了矩形柱在室內(nèi)凸出的缺點(diǎn)，有效提高建筑的使用面積，改善了室內(nèi)空間的視覺效果，而且提高了建筑功能并使室內(nèi)布置靈活。異形柱由于是多肢的，其剪切中心有時(shí)會(huì)在平面范圍內(nèi)，受力時(shí)靠各肢交點(diǎn)處的混凝土協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，而由于剛度和應(yīng)力狀態(tài)的影響，使得異形柱較普通截面柱的變形能力較低。同時(shí)鋼筋混凝土異形柱屬于薄壁構(gòu)件，又存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，其延性會(huì)降低，其破壞形態(tài)有彎曲破壞、小偏心受壓破壞、壓剪破壞等，而影響其破壞形態(tài)的因素又較多，軸壓比、配筋率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值、柱凈高與截面肢長比(剪跨比)等都對(duì)其有影響[6]。由于其受力性能復(fù)雜，設(shè)計(jì)中必須通過可靠的計(jì)算和必要的構(gòu)造措施來保證其強(qiáng)度和延性。在外力作用下異形截面柱一般會(huì)發(fā)生雙向彎曲，而截面的特殊性使得墻肢平面內(nèi)外兩個(gè)方向的剛度有很大差別，其各個(gè)方向上的承載能力差別也很大。在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)注意異形柱的設(shè)置，宜使整個(gè)結(jié)構(gòu)的平面對(duì)稱、剛度均勻，避免扭轉(zhuǎn)作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響，保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性。同時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)平面布置和受力特點(diǎn)，在各種結(jié)構(gòu)體系中部分布置異形柱，以充分發(fā)揮異形柱在建筑使用上和結(jié)構(gòu)受力上的優(yōu)點(diǎn)。

3 鋼筋混凝土異形柱的缺點(diǎn)

異形柱在全國各地都有廣泛的應(yīng)用，建設(shè)部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 149-2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程也極大地推動(dòng)了鋼筋混凝土異形柱在我國的發(fā)展與應(yīng)用。

但是，隨著鋼筋混凝土異形柱實(shí)際工程應(yīng)用的增多以及對(duì)其研究的深入，它的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來。異形柱框架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于高度更高、層數(shù)更多的建筑時(shí)，受到自身特點(diǎn)的限制。1)異形柱為了和墻體的尺寸一致，柱截面偏小，因而其承載能力就會(huì)受到限制，隨著高層和超高層建筑的發(fā)展，建筑層數(shù)的增多，上部荷載的增大，必然會(huì)導(dǎo)致柱截面的增大，由于純粹的鋼筋混凝土異形柱的承載力有限，勢必要增大鋼筋混凝土異形柱的截面來滿足工程上對(duì)承載力的要求;2)構(gòu)造復(fù)雜，相對(duì)普通矩形截面柱，其柱肢較為薄弱，抗震能力相對(duì)不足，延性較差，而且翼緣比較窄，容易造成鋼筋的擁擠、模板密集、混凝土澆筑困難，從而給施工造成很大的不便;3)異形柱對(duì)水平荷載的方向性比較敏感，水平荷載作用方向的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力存在較大差異，而且設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不好控制;4)為保證柱子的延性要求，需要較大配箍率并嚴(yán)格控制軸壓比。因此，我國對(duì)異形柱的應(yīng)用進(jìn)行了嚴(yán)格控制，JGJ 149-2006混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程指出異形柱結(jié)構(gòu)體系主要使用于多層框架，房屋的適用高度不大于表1的規(guī)定限值。

正是由于以上的原因，鋼筋混凝土異形柱在高層建筑及地震高烈度設(shè)防區(qū)的應(yīng)用受到極大的限制。

4 鋼筋混凝土異形柱的發(fā)展方向

鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系以其良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境綜合效益，在國內(nèi)各地逐步得到發(fā)展，尤其是國家規(guī)定禁用燒制粘土磚后，異形柱結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用更加受到關(guān)注，在國內(nèi)各地發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。然而由于鋼筋混凝土異形柱自身的特點(diǎn)，使得異形柱的優(yōu)點(diǎn)無法體現(xiàn)。為了使異形柱框架結(jié)構(gòu)體系能夠在高層和超高層建筑中進(jìn)一步推廣應(yīng)用，關(guān)鍵就在于如何在不顯著增大柱截面的情況下，提高柱的承載力來滿足實(shí)際工程中的需要。鋼管混凝土很好的解決了這一點(diǎn)。

鋼管混凝土異形柱中鋼管和核心混凝土共同承受軸向荷載，鋼管同時(shí)為核心混凝土提供側(cè)向約束作用，使得異形鋼管混凝土組合柱兼?zhèn)淞虽摴芑炷林弯摻罨炷廉愋沃膬?yōu)勢，即承載力高、剛度大、塑性和韌性好、抗沖擊和抗疲勞性好以及抗震性能佳等特點(diǎn)。同時(shí)異形鋼管混凝土組合柱有效地克服鋼筋混凝土異形柱的大配箍率和低軸壓比的限制，有利于高強(qiáng)混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用。異形管混凝土柱有著很好的發(fā)展前景，而異形鋼管混凝土柱的各種性能還有待進(jìn)一步研究，許多構(gòu)造措施及計(jì)算方法尚需不斷改進(jìn)與完善。

[1]Joaquin Marin.Design Aids for L-Shape Reinforced Concrete Column[J].Journal of the American Concrete Institute，1979，76(11):26-31.

[2]Cheng-Tzu，Thomas Hsu.T-shaped Reinforced Concrete Members under Biaxial Benging and Axial Compression[J].ACI Structural Journal，1989，86(4):460-468.

[3]異形柱框架結(jié)構(gòu)研究鑒定材料之五.鋼筋混凝土異形柱框架節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究[D].大連:大連理工大學(xué)，1993.

[4]曹萬林，樊 太，張維斌，等.異形截面鋼骨混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].世界地震工程，2004(19):98-100.

[5]闕良剛.鋼骨異形柱的試驗(yàn)研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2005.

[6]郭 波，吳海容.鋼筋混凝土異形柱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].山西建筑，2006，32(9):45-46.