异形钢管混凝土柱研究综述

苏忍 刘光烨 杨远龙

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发展趋势进行了总结。

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用。异形柱结构体系提高了房屋的实用性和美观性，室内分隔灵活多样，避免了普通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。随着经济的发展，人们生活水平的改善，具有广阔的发展前景。

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[1]。（《混凝土异形柱结构技术规程JGJ149-2006》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[2]。

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普通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发展趋势。

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，因而刚度要小于普通方、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[6]。

1998年，广州新中国大厦首次采用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，变形发展不充分；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，该表达式清晰、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]采用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普通钢管混凝柱力学性能的影响；利用有限元分析软件ABAQUS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混凝土柱的节点形式。目前，方钢管混凝土柱的节点形式主要有内加强板式节点、外加强板式节点、贯穿加强板式节点、内隔板式节点、外隔板式节点。针对目前异形截面钢管混凝土柱的实际情况，采用内隔板式节点比较好。（如图5）此为T形钢管混凝土柱与H形钢梁节点，主要由内锚固板、钢筋加劲肋通过焊接而成。其传力机理是：梁的翼缘传递弯矩，剪力由梁的腹板传递到柱，其中内锚固板主要是在钢梁受弯时，限制阴角的变化，防止钢管外部鼓曲。钢筋加劲肋主要增大腹板的抗剪能力，防止腹板受压区的屈曲，解决局部有较大压力的腹板稳定问题[20]。

西安建筑科技大学的葛广全[21] 对异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点进行了试验研究，节点为贯通式，主要进行低周反复加载试验，分析比较肢高肢厚比不同的情况下节点的滞回性能、强度及延性、破坏特征，得出结论：T 形钢管混凝土柱-钢梁框架节点和普通钢结构节点一样，具有较好的延性和相同的破坏特征，滞回环饱满，耗能性能良好，具有较好的抗震性能；对于 T 形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点，在肢高肢厚比不大于 3 的情况下，节点的承载能力与肢高肢厚比是正相关的关系看，即随着肢高肢厚比的增加，节点的承载能力也会相应提高；焊缝质量是影响T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点抗震性能的关键。焊接不均匀产生的应力重分布会严重影响节点的稳定性。

北京工业大学的陈静、张玉敏[22] 主要进行的研究工作是低周反复水平荷载试验和节点冲切试验，试件分为2组10个模型相似比为1/2的异形钢管混凝土柱-板，试验内容主要包括节点的冲切受力特性、极限荷载、受力过程、开裂荷载、破坏荷载以及破坏形态等，利用试验中得到的数据画出试件的滞回环曲线、托板应变曲线、骨架曲线以及钢筋应变曲线。结果表明：我国《混凝土结构设计规范GB50010-2002》中公式7.7.1-1可用于异形板柱节点抗冲切设计，异形钢管混凝土柱-板铰接节点冲切承载力只比普通混凝土板柱节点高一点，不是十分明显；滞回曲线狭长，构件的延性比较好，铰接性能好，抗侧移能力强，符合《建筑抗震设计规范GB50011-2001》的要求，保证结构在大震中的安全。节点处托板应变可以近似看做弹性阶段，变形能力较好，节点承受的局部弯矩小，可有结构自身的内力与之平衡。异形钢管混凝土柱-板节点的性能与矩形钢管混凝土柱-板节点在滞回曲线、冲切承载力以及抗侧移等性能上相差不大，可用于大空间钢管混凝土柱板高层节能住宅结构体系。

西安建筑科技大学的侯文龙[23]等利用ABAQUS 有限元软件对钢管混凝土异形柱框架节点进行了非线性有限元分析，并且着重对影响节点受力性能的因素诸如肢高肢厚比，轴压比，钢管壁厚等进行了定性分析，通过计算得到了钢管混凝土异形柱框架节点的应力云图。将计算所得的结果与试验结果进行了比较，两者结果吻合。结果表明：异形柱框架节点受力明确，传力途径清晰，肢高肢厚比和轴压比对节点受力性能的影响较大。试验结果还表明，方钢管混凝土异形柱破坏时方钢管与混凝土均已达到极限强度，其整体变形和单肢变形都不明显，各肢变形相对比较协调。

异形截面钢管混凝土结构的推广和应用过程中，首先需要解决的是框架的节点问题。没有框架节点就不能形成完整的框架结构，节点的稳定性十分重要，在承受突加荷载、永久荷载及水平风荷载的组合作用下能使剪力和弯矩得到有效的传递，在施工中会更容易设置节点。所以，当前我们需要对梁-柱节点形式、力学性能、抗震性能等进行深入研究，这是钢管混凝土结构未来发展和应用的重中之重 [24-25]。

梁与钢管混凝土异形柱节点在承受地震荷载作用时，柱和框架梁传来的剪力、弯矩和轴力作用于节点部位，因为钢管的套箍作用使内部混凝土处于三向受力状态，大大增加了混凝土的抗压强度和承载能力，此时节点的受力情况不是单一荷载作用，而是更多处于剪力和弯矩的作用下。1980年以来，国内高校关于普通截面钢管混凝土柱和梁柱节点的抗震性能做了很多试验研究，积累了不少宝贵经验。国内外专家在新型节点研究工作中，一般都要考虑柱轴压比等对节点力学性能的影响，更合理地研究异形柱与梁之间节点的各种性能，他们利用静力、拟静力和振动台试验在节点模型的基础上得到节点的σ-ω曲线、承载能力标准值、设计值等数据， 然后比较节点在控制轴压比变化的情况下滞回性能、延性、耗能性能、破坏机理及破坏特征是如何变化的，以此作为评价节点力学性能的标准。

6、结语和展望

（1）异形截面钢管混凝土柱较之传统钢筋混凝土柱具有极限承载力高、延性好、抗震性能好、施工简便、经济效益好等优点，适用于抗震设防烈度更高的区域，在满足承载力和刚度要求，又不显著增大柱截面面积的基础上，可以做到内墙不外凸，增大了室内使用面积，较好地满足了建筑使用功能，是现代工程应用重要的结构体系，其应用前景十分广泛。

（2）对异形截面钢管混凝土柱的研究才刚刚起步，研究手段、试验方法很多还不是很成熟，没有形成系统的异形柱设计规范，有关异形柱承载力的计算方法较少，只是借助于试验数据的分析，得出承载力计算公式。

（3）对异形截面钢管混凝土柱在动力荷载作用下的动力性能研究较少，可以作为以后研究的重要方向。关于异形截面钢管混凝土柱节点尚不够成熟，节点的计算模型尚不明确，还没有一套完整的计算理论和设计方法，因此以后有关节点的研究工作可紧密围绕在这些方面，出台系统的全面的异形钢管混凝土柱的设计规程。

作者：苏忍，刘光烨，杨远龙，工作单位：兰州大学土木工程与力学学院

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