钢筋混凝土异形柱结构体系的研究现状浅析

赵谦（山东省泰安市建设局山东271000）

陈云霞 赵艳静（天津大学建筑工程学院天津300072）

钢筋混凝土异形柱结构体系的研究现状浅析

赵谦（山东省泰安市建设局山东271000）

陈云霞 赵艳静（天津大学建筑工程学院天津300072）

由异形柱或主要由异形柱组成的框架结构或框架-剪力墙结构即为异形柱结构。综合分析了异形柱构件（包括正截面承载力、斜截面承载力、节点承载力及截面延性性能）和异形柱结构的试验研究、设计方法现状及优缺点，以供设计人员参考。

钢筋混凝土异形柱形柱结构

钢筋混凝土异形柱是指截面形状为“L”形、“T”形和“十”形的柱子，由于其肢厚与墙等厚，避免了传统框架矩形柱在屋角凸出，增加了房间有效使用面积，改善了建筑观瞻和使用功能，因而受到住户及房地产开发商的欢迎。由异形柱或主要由异形柱组成的框架结构或框架-剪力墙结构即为异形柱结构。

近年来，国家对异形柱结构的发展给予了充分的重视，在国务院及建设部有关住宅结构体系发展方向的一系列指导性文件中，多次提到钢筋混凝土异形柱结构体系，可见，在住宅建筑中发展钢筋混凝土异形柱结构体系，符合国务院及建设部提出的住宅建筑结构体系的发展方向。

1 异形柱构件的试验研究和设计方法现状

1.1 异形柱正截面承载力的试验研究和配筋设计方法

由于异形柱截面形状是不规则的，因此一般情况下异形柱截面产生双向弯曲，应按照双向偏压构件来研究其正截面承载力。

国内外学者对异形柱在双向偏心压力作用下受力性能的研究始于20世纪60年代，后来随着计算机技术的引入，才有了较快的发展。国外对异形柱的试验研究较少，主要是利用计算机分析研究了异形截面双向偏压柱的承载力性能。而国内的天津大学、大连理工大学、河北工业大学和华南理工大学等单位的学者针对异形柱双偏压正截面承载力变化规律开展了大量的试验及深入的理论研究工作，取得了很多有价值的结论。主要有：①异形柱从开始加载到构件破坏，其截面应变基本符合平截面假定。②可分为大偏压、小偏压及界限偏压3种破坏形态。③异形柱的正截面承载力有自己的特色，其中截面中和轴一般不与弯矩作用平面垂直，也不与截面边缘平行，其位置随截面尺寸、混凝土强度、配筋及荷载角等诸多因素的变化而异。④其正截面承载力除与材料强度、配筋率、截面尺寸有关外，还与荷载角有关，随加载角不同，其承载力差异很大（等肢“十”形截面柱除外），所以设计时应由最不利荷载角方向的承载力控制。⑤暗柱能显著提高异形柱的承载力等等。

各学者在异形柱试验及理论分析的基础上，先后提出了很多截面配筋的计算方法，为异形柱的工程应用奠定了基础。归纳起来，正截面配筋的计算方法主要有如下几类：

1.1.1 数值积分方法对于异形截面偏心受压柱来讲，由于其截面的不规则性，国内外的学者们都尝试通过数值积分方法，计算异形柱的配筋或承载力。

1.1.2 简化计算方法有的学者在试验研究的基础上，借用双向偏压矩形柱正截面承载力中的相关概念，提出了校核异形柱正截面承载力的类椭圆公式或计算表格，但不便于在工程设计中使用；有的学者则提出了其他的简化方法，如广东规程的当量弯矩法，大连理工大学提出的矩形截面法、折算截面法，针对“T”形截面柱的综合法、平面假定法等，但已有文献分析当量弯矩法是不合理的，而后者的简化方法在某些情况下是不安全的；后来的一些学者提出了基于数值积分方法的简化方法，即通过对工程中常用截面尺寸及配筋情况的大量电算，将其正截面承载力的N-Mx-My相关关系制成系列图、表，或者进一步拟合成简化公式，用以直接查出配筋或进行承载力校核。

上述方法已全部或部分反映到CRSC、TAT、SATWE以及广厦建筑结构CAD等软件中，从而使异形柱的工程应用成为可能。

此外，与矩形柱类似，应考虑侧向挠曲对异形柱承载能力的影响，即将轴向力对截面重心的初始偏心矩乘以偏心矩增大系数。天津大学通过非线性分析拟合得到了异形柱偏心矩增大系数的计算公式。

应该说，钢筋混凝土异形柱正截面承载力的研究已日趋完善。

1.2 异形柱斜截面承载力的试验研究和配筋设计方法

天津大学、大连理工大学、华南理工大学、同济大学等对异形柱的受剪承载力进行了单调及反复荷载作用下的试验研究，结果表明：“T”形、“L”形截面柱的受剪承载力、受轴压比、配箍率、广义剪跨比及反复加载的影响与矩形柱相近；由于翼缘的有利作用，其极限受剪承载力较矩形柱（其截面尺寸与受力方向的柱肢相同）有所提高；同时根据试验结果，各自提出了可供工程设计的异形柱受剪承载力计算公式。

异形柱同样存在双向受剪的问题，“T”形、“L”形截面柱的受剪承载力随水平荷载作用方向而变化，其相关曲线呈外凸的梅花瓣形，这主要是由于翼缘的作用。为简化起见，进行异形柱某一方向柱肢斜截面受剪承载力计算时，可采用现行规范矩形柱受剪承载力的计算公式，这是偏安全的。

1.3 异形柱节点承载力的试验研究和配筋设计方法

由于异形柱的肢比较薄，导致异形柱与梁的节点核心区较小，抗剪能力差，从而节点成为此类结构的薄弱环节。为了研究异形柱框架节点的受力性能、破坏状态、延性和滞回特性，天津大学、大连理工大学、沈阳建筑工程学院、华南理工大学、中国建筑科学研究院工程抗震所等单位的学者先后做了大量的试验及理论分析工作，研究结果表明：①在整体异形柱框架中的现浇式节点具有良好的抗震性能，其受力性能及破坏特征与普通矩形框架现浇节点类似；②配箍率、轴压比是影响对异形柱-梁节点延性和核心区受剪承载力的重要因素，其影响规律与矩形柱类似；③在相同条件下，节点水平截面积相等的“L”形、“T”形、“十”形柱的梁柱节点承载能力比矩形柱节点承载能力分别低33%、17.5%和8%左右，这是由于“L”形、“T”形和“十”形柱翼缘均未充分发挥作用所致；④通过试验研究及非线性有限元分析，提出了符合异形柱框架节点破坏模式的抗剪强度计算公式及构造措施，并指出三级抗震等级的节点也应予以计算；⑤各类异形柱节点梁柱主筋在较大荷载作用下，均有部分钢筋产生滑移现象，但能满足粘结锚固要求。

1.4 异形柱延性性能的研究

从目前查到的文献来看，国外对异形柱的延性性能没有研究过，国内天津大学、河北工业大学、大连理工大学、华南理工大学等单位的学者们对“L”、“T”和“十”形柱的延性性能进行了试验研究。结果表明：异形柱随轴压比的提高，构件的承载力有所提高，但延性降低；暗柱具有明显的钢筋混凝土核心约束作用，能显著提高异形截面柱的承载力和延性。

由于轴压比是衡量构件延性的重要指标，因此，有关异形柱延性性能的理论研究主要集中在如何确定异形柱的轴压比限值。分析发现，尽管各位学者确定的异形柱轴压比限值各不相同，但其研究思路可归纳为两类：一是将构件的轴压比限值与构件延性挂钩，通过对异形柱曲率延性的全过程非线性分析，把异形柱轴压比限值表示成与箍筋直径、箍筋间距及纵筋直径比值有关的值，此确定原则与矩形柱不同；由于异形柱的截面延性随荷载角不同而相差甚多，因此，为保证异形柱在不利荷载角时也具有足够的延性，其轴压比限值显著低于矩形柱的轴压比限值。二是考虑异形柱的特点在矩形柱公式基础上进行折减或采用其研究思路确定异形柱的轴压比限值，对于异形柱来说，该方法显然不再适用。

2 钢筋混凝土异形柱结构的抗震性能

随着异形柱结构体系在地震区的推广应用，其抗震问题成了国内学术界和工程界比较关心的问题。为此，近年来中国建筑科学研究院、天津大学、东南大学、同济大学、西安建筑科技大学、昆明市建委等单位的学者从不同角度对钢筋混凝土异形柱结构体系的抗震性能进行了深入的试验研究，这些试验的侧重点各不相同，但却得到了许多不谋而合的结论，主要有：①异形柱单榀平面框架或整体空间框架结构，其破坏形态均属梁铰破坏机构，具有良好的抗震性能；②异形柱框架结构在水平荷载作用下变形特性介于剪力墙结构和普通框架结构之间，变形曲线呈一定程度的弯剪型；③与矩形柱不同的是，等刚度情况下，由于异形柱的薄弱部位，造成异形柱的应力集中现象比矩形柱明显，随着梁端塑性铰的发展，异形柱内拐角的楼板上表面开裂较严重，宜在异形柱内拐角附近呈放射性布置一些板面钢筋；④填充墙框架的水平承载力比空框架高约25%，耗能能力较强；⑤带转换层的钢筋混凝土异形柱框架结构的振动台试验表明，异形柱落在方柱上是可行的，但为稳妥起见，宜保证异形柱与方柱的重合面积占异形柱截面面积的70%以上，梁托柱的设计是可行的，要保证转换层的正常工作，关键是保证转换层上下层层间刚度的均匀变化及满足转换层柱的轴压比限值要求；⑥异形柱框——桁架结构具有良好的耗能能力和变形能力，其屈服破坏机制是从斜撑→梁→柱，比异形柱框架结构的抗侧移能力强，但地震作用和地震内力有所增大。

在试验研究的基础上，很多学者对异形柱结构的抗震性能做了进一步的理论分析，为完善该体系的结构设计方法做了积极的探讨。

3 结语

虽然异形柱截面本身的特点使得钢筋混凝土异形柱结构存在某些“先天不足”，但只要在设计中加强概念设计，遵循建筑体型和结构布置的一般原则，扬长避短，使异形柱框架能够在地震作用下形成具有较好耗能能力的梁铰机制或介于梁铰机制和柱铰机制之间的混合机制，异形柱结构就能满足地震区的抗震设防要求。相信，在众多学者的研究基础上，钢筋混凝土异形柱结构必将得到更大的发展。■

2011-03-09