钢异形柱结构研究综述

1、- -钢异形柱构造研究综述摘要：近年来，对于异形柱构造的研究已经取得了一定的进展，在大量的理论研究和工程实践的根底上，国内已经制定了相应的规程供设计人员参考。文中对型钢混凝土异形柱构造的形式、特点进展了综述，以供设计及施工人员参考。关键词：型钢混凝土异形柱；构造特点；研究现状；应用前景0引言随着国家的“建立节约型社会、“可持续开展等政策的提出，人们对住宅建筑的主要要求中，房间的套内使用面积和居室的美观性越来越受到重视，尤以一线城市，寸土寸金，房间布局及使用面积更受青睐。房间框架柱突出墙面，占据了很大一局部面积，而且不利于家具物品的摆放。采用型钢混凝土异形柱能很好的解决这个问题，节省很大一局部面

2、积，这就形成了型钢混凝土异形柱构造的住宅建筑。异形柱框架是指采用L字形、T字形、十字形等非矩形截面柱与矩形或T形截面梁组成的梁柱构造。该构造体系空间的利用率高、抗震性能较好、施工周期短，提高了资金投资的效益。对钢异形柱构造的研究将会促进钢构造建筑的开展，特别是钢构造住宅建筑的产业化。1型钢混凝土异形柱型钢混凝土构造(SteelReinforcedConcrete简称SRC构造)是以钢构造为骨架并外包钢筋混凝土的埋入式组合构造,其承载力高、抗震性能好1,应用于异形柱构造中,有望成为一种新型的混凝土异形柱型钢混凝土异形柱。目前,国内外对这种新型构造的研究尚不多见。型钢混凝土异形柱在截面上与普通钢筋

3、混凝土异形柱一致,在配钢上与型钢混凝土构造一样,要分析这种新型构造的特点,宜先从与它相关的钢筋混凝土异形柱及型钢混凝土构造入手。1.1型钢混凝土构造(1)型钢混凝土构造与普通钢筋混凝土构造相比具有以下突出特点:承载力高,延性好及耗能能力强,具有良好的抗震性能；整体的型钢比分散的钢筋刚度大得多,对抗震十分有利。在同样承载力条件下,可大大减小柱截面尺寸,防止形成不利于抗震的短柱现象。(2)国内外的试验研究说明1,型钢混凝土构造中,型钢与混凝土的粘结力只相当于光面钢筋与混凝土粘结力的45%左右,要确保型钢与混凝土的协同工作,需要采取一定的措施。1.2型钢混凝土异形柱的构造特点为了确保型钢与混凝土协同

4、工作而采取的构造措施,常见的是:焊接能承受型钢与混凝土之间的横向剪力的剪切连接件,并加大混凝土保护层厚度2(通常为100mm,至少不小于50mm)；但异形柱的柱肢厚度通常较薄,显然难以做到如此厚的保护层厚度,因此,必须采取其它有效措施,保证型钢与混凝土的协同工作。在型钢上焊接剪力连接件,虽然能提高两者协同工作能力,但需消耗较多钢材,并且施工麻烦。假设改而配置桁架式型钢,那么是个好方法。因为利用桁架中的腹杆承受型钢与混凝土之间的横向剪力,不仅能确保两者协同工作,而且能使异形柱的各柱肢之间连接更好,对防止产生剪力滞后现象有积极作用。具体的做法有以下几种。(1)在异形柱的柱肢中放置型钢,各型钢之间配

5、置箍筋,以提高型钢与混凝土的粘结能力,如图1(a,b,c)所示。(2)在异形柱中配置桁架式型钢,各型钢之间焊接腹杆,腹杆包括水平腹杆和斜腹杆,使型钢桁架本身成为一个超静定构造,可以承受施工阶段的荷载,形成型钢混凝土叠合柱,对抗震也有利。腹杆的间距由能保证缀条式钢柱纵向型钢不发生局部失稳确定,如图1(d,e,f)所示。图1型钢混凝土异形柱的截面形式型钢混凝土异形柱构造, 由于截面不规那么, 其破坏机理可能比较复杂。为此, 文献2进展了4 根内含桁架式型钢骨架的不对称T 形截面柱的轴心及偏心(包括双向偏心)受压试验, 初步提醒了这种新型混凝土异形柱的破坏机理、破坏形态和极限承载力以及截面应变分布。

6、试件破坏过程经历了3 个阶段, 即弹性阶段、带裂缝阶段和破坏阶段；由于桁架腹杆的作用, 型钢与混凝土能够保持协调工作, 直至到达极限承载力破坏；构件的破坏形态与普通钢筋混凝土构件相似, 混凝土到达极限压应变, 相对偏心距较大时表现为“受拉破坏 , 相对偏心距较小时表现为“受压破坏。轴心受压破坏时, 钢筋、型钢屈服, 局部纵向钢筋压屈。无论发生哪种破坏形态, 均未发现型钢发生局部屈曲或整体失稳。从加载开场至构件破坏, 平均应变沿截面高度的分布根本上符合平截面假定。文献2与文献3局部试件的截面、混凝土强度等级、钢筋配筋情况、荷载加载条件完全一样,只是文献2中的试件多配了配钢率5 %左右的桁架式型钢

7、骨架。比照两者的试验结果, 发现型钢混凝土异形柱在配钢率并不大的情况下, 比普通钢筋混凝土异形柱的极限承载力明显提高, 提高的幅度达30 %以上。文献2编写了采用有限元迭代法的计算机程序, 用来计算型钢混凝土异形柱的正截面承载力的N M 及Mx My 相关曲线, 计算结果与试验结果吻合较好。利用该程序对型钢混凝土异形柱进展分析, 初步得到了正截面承载力的变化规律。混凝土强度等级、截面型钢配钢率、型钢配钢形式、荷载角、轴压比均对型钢混凝土异形柱承载力有明显影响。混凝土强度等级越高, 承载力越大；型钢配钢率越大, 构件承载力越大；当轴压比大于0.5 后, 随着轴压比的增大, Mx My 相关曲线包

8、围面积越来越小。2 型钢混凝土异型柱的研究现状国外学者对于钢筋混凝土异形截面构件的研究已有多年历史, 上世纪70 年代末至80 代初期,委内瑞拉的JoaquinMarin 4, 印度的L.N.Ramamurthy和T.A.Hafeez Khan 5先后对L 形柱、T 形柱的受力性能进展了研究, 提出了钢筋混凝土异形柱承载能力计算一些的经历公式, 但异形柱在美国和欧洲兴旺国家并未得到推广应用, 因此后续研究不多。国内开场研究异形柱构造是在上世纪卯年代中期,当时主要是在当地政府部门(如科技厅或科技局、建立厅或建立局、墙体改革办公室)的组织下, 由一所或几所高校牵头, 联合数家单位(如建筑科学研究院

9、、建筑设计研究院、房地产开发公司等)共同开展的, 研究工作以XX市、XX省、XX省、XX省等地进展得较为充分6-12。其中, XX、XX和XX还先后公布了异形柱设计地方规程。后来, XX建筑科技大学13、同济大学14-18等单位也开展了一系列钢筋混凝土异形柱以及异形柱框架的试验与理论研究, 建立了钢筋混凝土异形柱较为成熟的设计计算理论, 以这些试验与理论为根底, 建立部于2006年公布了行业标准"混凝土异形柱构造技术规程"(JGJ149-2006)。与钢筋混凝土异形柱的研究相比, 我国型钢混凝土异形截面柱的研究尚处于起步阶段, 相关的试验方法和数据资料还比较缺乏, 研究成果

10、主要为正截面承载力和抗震性能。在正截面承载力方面, 陈宗平19,20通过4 根内含桁架式型钢骨架的不对称T 形截面异形柱的轴心和偏心加载试验, 发现桁架式型钢混凝土异形柱在偏心压力作用下, 截面平均应变根本符合平截面假定；构件的破坏形态与普通钢筋混凝土构件相似, 相对偏心距较大时表现为“受拉破坏 , 相对偏心距较小时表现为“受压破坏 , 轴心受压时也与普通钢筋混凝土的“轴压破坏相似, 破坏时混凝土到达极限压应变, 钢筋、型钢屈服, 局部纵向钢筋压屈外弯,但型钢不发生局部屈曲；试验还发现, 整个受力过程中, 桁架式型钢与混凝土能保持协同工作, 直到极限承载力；与一样截面的钢筋混凝土异形柱相比,

11、在配钢率不太大时, 不对称T形截面异形柱的承载力能显著提高, 5%左右的配钢率, 承载力提高可达30%以上。宋怀金21通过3根桁架式型钢混凝士不等肢L形截面异形柱在双向偏心压力作用下的试验得出了类似的结论。阙良刚22通过7根L形截面和7根T形截面型钢混凝土柱的轴压试验, 发现型钢混凝士异形柱的轴向承载力比普通钢筋混凝士异形柱大幅度提高, 但由于型钢与混凝土之间在加载后期发生粘结滑移等原因, 试验承载力值比按普通矩形截面型钢混凝土柱的轴向抗压承载力公式计算所得的值偏低。秦岭23设计了3 根型钢混凝土不对称十字形截面柱和1 根钢筋混凝土不对称十字形截面柱, 对这些试件进展了正截面承载力试验研究。考

12、虑到钢与混凝土的粘结滑移问题和便于梁柱之间的连接, 异形柱的中部配置型钢, 而肢端采用粗钢筋。试验结果说明型钢与混凝土能保持很好的协调工作, 在大偏心压力作用下构件破坏时, 钢筋、型钢均能到达屈服；与对照的普通钢筋混凝土异形柱相比, 型钢混凝土异形柱在配钢率为4.68% 情形下承载力高出38%以上。除了试验研究以外,许安邦24、赵丽平25通过编制程序对型钢混凝土异形柱的正截面承载力进展了理论分析。陈宗平的分析说明, 混凝土强度等级、截面型钢配钢率、轴压比对型钢混凝土异形柱承载力影响显著；对于内含桁架式型钢骨架的不对称T 形截面异形柱, 柱腹板与翼缘交接处配置型钢对承载力奉献不大, 从方便施工和

13、提高型钢利用率的角度考虑, 建议该处不配置型钢。赵丽平X利用程序对配钢率、混凝土强度等级、轴压比等影响型钢混凝土异形柱正截面承载力的主要因素进展分析后得出: 对于小偏心受压柱通过提高混凝土强度可明显地提高柱正截面承载能力, 而对大偏心受压柱仅提高混凝土强度等级并不能有效地提高柱承载力；适当地提高型钢配钢率可显著地提高柱抗弯承载力并有利于改善柱的延性和提高构造抗震性能。3 型钢混凝土异形柱的应用前景传统的型钢混凝土矩形柱, 具有很大的承载力,抗震性能好, 可有效减小下部柱截面积, 特别适用于高层、超高层建筑以及地震多发地区对抗震要求较高的各种建筑。典型的建筑有XX金茂大厦(88层)、XX地王大厦

14、(81 层)、美国休斯顿第一城市大厦(49 层), 悉尼凯特斯中心(高198 m)等。对抗震要求较高的日本, 1015层的建筑约有90 %左右、16 层以上的建筑约有50%左右采用型钢混凝土构造。异形柱构造具有肢宽与填充墙等厚, 能防止房间柱楞凸出, 使房间平整、美观、方便使用等优点, 受到广阔用户的欢迎。目前, 钢筋混凝土异形柱在我国局部地区得到了广泛采用。但因受承载力及抗震性能的限制, 无法满足层数更高建筑的承载力要求以及高烈度地区的抗震要求, 明显地限制着它的应用范围。型钢混凝土异形柱, 截面承载力高, 抗震性能也好, 能有效解决普通钢筋混凝土异形柱中存在的问题, 对于推广异形柱的应用范

15、围, 具有十分重要的工程意义和理论研究价值。在地震多发地区, 对建筑抗震要求较高, 采用型钢混凝土异形柱, 不但能提供优美的建筑空间, 也能保证良好的抗震性能。近年来, 我国竭力推广使用钢构造住宅, 型钢混凝土异形柱能够作为钢构造住宅的主要承重骨架,与钢梁、围护墙体构成钢构造住宅的主体, 可大大降低钢构造住宅的维护费用。同时, 在工程设计中, 考虑到普通钢筋混凝土异形柱在施工中会遇到局部梁柱节点处钢筋拥挤, 特别是柱肢宽度与梁宽一样时,梁与柱的主要受力钢筋在同一平面内相交, 钢筋位置不易错开, 布筋困难, 采用型钢混凝土异形柱那么可防止上述施工难题, 因此, 将会在高层建筑及高烈度地区的建筑中

16、得以推广应用。参考文献：1赵鸿铁.钢筋混凝土组合构造M.:科学,2001.2陈宗平.桁架式钢骨的混凝土异形柱不对称T 形截面正截面承载力研究D .XX:XX大学, 2004 .3陶洪辉.高强混凝土不对称T 形截面双向偏心受压柱正截面强度及变形的研究D .XX:XX大学, 2000 .4Joaquin Marin. Design Aids for L-shaped Reinforced Concrete Columns.ACI Journal,Nov.19795L N Rzmmamurthy and T A Hafeez Khan.L-shaped Column Design For Biaxi

17、al Eccentriciry.Journal of Structural Engineening.109(8),19836曹万林.异型柱框架构造及构件抗震性能和设计方法的研究.XX工业大学, 19967冯建平, 陈谦等.L形和T形截面柱正截面承载力的研究.华南理工大学学报,23(l),19958冯建平, 陈谦等.混凝土L形截面柱抗剪承载力的试验研究.华南理工大学学报,23(l),19959陈谦,冯建平.双向偏心受压L形截面柱的计算.华南理工大学学报,23(l), 199510冯建平,X修文.T形截面柱框架边结点的抗展性能.华南理工大学学报, 23 (3)，199511卫园,冯建平.周期反复荷

18、载作用下L形截面柱的试验研究.华南理工大学学报, 23(3),199512周成.钢筋混凝土z形截面双向偏心受压构件正截面承载力的试验研究,东南大学硕士学位论文，200113周建中,陆春阳,苏益声,赵鸿铁.不等肢L形截面双向偏心受压柱.XX建筑科济大学学报(自然科学版)，2001714李杰,X建营,周德源,聂礼麟.L形和Z形宽肢异形柱低周反复荷载试脸研究.建筑构造学报,231，200215肖建庄,黄饪,X建荣,李杰.高性能棍凝土异形柱边框架抗展性能试验研究J. 建筑构造学报,236，200216李杰,肖建庄,陈建兵,韩丽婷.钢筋混凝土异形柱构造振动台试验研究J.土木工程学报，363，200217X建营,李杰.混凝土异形柱的抗剪全过程分析J. 构造工程师，2002218肖建庄,葛亚杰,黄任,李杰.异形柱构造内力分析研究J.构造工程师，2002319陈宗平.桁架式钢骨的混凝土异形柱一不对称T形截面正截面承载力研究D.XX:XX大学