异形柱结构体系综述

蒙武楠　李文硕　马　旭/华北理工大学 建筑工程学院

异形柱结构体系综述

蒙武楠李文硕马旭/华北理工大学 建筑工程学院

异形柱的出现极大的丰富了建筑布局的灵活性，其独有的柱截面形式多样、柱肢厚度与墙体等厚、室内没有柱楞突出等诸多优点，使得它很快被应用于实际工程。但其“先天”带来的承载力与抗震性能差使其在推广使用中具有很大的局限性。本文介绍了混凝土异形柱的发展和研究现状，浅析了目前研究中存在的一些问题，同时提出了今后研究方向并展望了应用前景。

钢筋混凝土；异形柱；抗震性能

前言

近年来，随着国民经济的发展和人们生活水平的不断提高，商品化住宅产业已经成为房地产业不可或缺的一个重要组成部分，拥有一幢满意的住宅俨然已经成为了我国老百姓消费的第一大支出，同时人们对房屋的安全、舒适、布局等方面也有了更高的要求。所以，探索适应我国经济发展的住宅体系就变成了研究人员亟待解决的问题。我国上世纪曾一度使用多层砖混结构，然而由于其自重大、承载力低以及污染环境等缺点已经被基本淘汰。紧接着，多高层结构由于其更高的土地利用率、自重轻、抗震性能好等诸多优点成为了主流结构，在实际工程中很快被推广应用。

但是，框架或框架—剪力墙结构体系层数较多，为了满足结构的承载力和延性要求，传统矩形柱的截面尺寸不得不大于墙体厚度，使得柱子产生柱楞外凸，直接影响居室的使用面积并且影响家具家具布置。基于此，柱肢宽度与墙同厚的 L 形、T形及十字形等异形柱应运而生。使用的灵活性和建筑的美观性被异形柱有机地结合起来，为用户提供舒适的居住环境，完美解决了柱楞外凸的问题。

1.异形柱研究现状

早在20世界80年代中期，国外学者就发现了异形柱有着极大的应用前景并且对其进行了研究，但由于是开拓性探索，研究条件与思路都有一定的局限，当时的仅研究了异形柱构件单向和双向压弯受力性能。之后，国内学者紧跟国际发展潮流，引进并发展了异形柱结构，并对新型的异形柱形式展开了研究工作。目前国内外异形柱结构主要有钢筋混凝土异形柱、钢骨混凝土异形柱、钢异形柱与钢管混凝土异形柱。

1.1钢筋混凝土异形柱

这是最早形式的异形柱，如前文所述，国外学者早在20世纪80年代就开始了对钢筋混凝土异形柱的轴心受压性能和偏心受压性能的研究，并且提出了计算钢筋混凝土异形柱承载力的方法［1］。在上世纪末，国内研究人员在国外研究结果的基础上，对钢筋混凝土异形柱进行了进一步的研究，提出了用于钢筋混凝土异形柱的抗震性能、节点承载力、截面承载力的设计方法［2］。

1.2钢骨混凝土异形柱

由于在研究中发现了钢筋混凝土异形柱存在很大缺陷，所以研究人员尝试在钢筋混凝土异形柱内部设置型钢来增强其抗震性能，即钢骨混凝土异形柱。通过在各单肢型钢之间连接水平和斜向杆，然后浇筑混凝土，包裹型钢骨架，称为桁架式型钢混凝土异形柱［3］。实验表明，在内部设置桁架体系虽然一定程度上提高了抗震性能，但依然没有解决钢筋混凝土异形柱与钢骨混凝土异形柱抗裂性能较弱的问题。

1.3钢异形柱

钢异形柱是将若干（通常是1-2个）T形截面连接在一个H型钢截面上，从而组成十字形、 T形、L形柱［4］。钢异形柱的出现很大程度上拓宽了异形柱的发展前景，它的翼缘宽度设置十分灵活，可以随着建筑墙体厚度的改变而改变，柱的翼缘与框架梁采用刚接的形式，进一步提高了结构的稳定性。钢异形柱因其使用灵活、便于施工等优点，广受研究与施工人员推崇，但其梁柱节点与形心偏离时，受力方向有很大的随机性，目前也并没有统一的计算标准，致使计算复杂且给后期分析带来不小的难度。并且为了防止局部失稳，必须提高用钢量，导致建设成本有较大提高，并不经济。

1.4钢管混凝土异形柱

钢管混凝土异形柱是通过在异形钢管柱中浇筑混凝土形成的。我们在施工中经常使用添加加劲肋等方法来提高砼与钢管的契合度，从而提高工作质量。试验结果表明［5］，与钢筋混凝土异形柱相比，钢管混凝土异形柱明显具有更高的承载能力。但是在钢管内部放置加劲肋的工序太过繁琐复杂，给实际施工带来很大的不便，所以并不适合推广应用，假设使用螺栓机械咬合，那么螺母与螺帽在一定程度上也会妨碍墙体的立面效果。

2.异形柱框架结构研究存在的问题

异形柱框架结构研究目前存在以下几点问题：

2.1异形柱结构的计算通常使用的方法为有限元分析法，该方法虽然有广泛的适用性，但不够系统，理论也不够完善。

2.2由于异形柱框架结构是由钢管、钢筋、混凝土等许多不同材料及不同构件构成，且构成方式各有异同，所以其传导力的方式以和整体的受力性能并不能用“1+1=2”的思路来解决，而是要从整体来研究，但目前的研究更多的是局限在了局部性能和单个构件。

2.3目前国内各研究机构及院校，对异形柱框架结构整体抗震性能方面的研究大多仅仅是停留在多层结构，对高层结构的研究鲜有涉足，并且得出的结果通常都是定性分析，并没能进一步得出更深入的结论，没有统一的计算方法，无法形成标准和行业规范。

3.结束语

虽然由于异形柱截面本身的承载力较低，抗震性能较差，导致钢筋、钢管混凝土异形柱结构存在某些“先天不足”，但所谓“瑕不掩瑜”，异形柱的优越性也是被广泛认同的，相信随着众多科研人员的不断探索，异形柱的缺点会被逐渐弥补，从而达到地震区的抗震设防要求，在建设21世纪新型住宅工程中发挥重要的作用。

［1］DEMAGH K， CHABIL H， HAMZAOUI L.Analysis of reinforced concrete columns subjected to biaxial loads ［C］//Proceedings of the International Conference on Concrete for Transportation Infrasturcture.Dundee，2005：433-440.

［2］赵艳静.钢筋混凝土异形柱结构体系理论与实验研究［D］.天津：天津大学，2004.

［3］陈宗平，薛建阳，赵鸿铁.低周反复荷载作用下型钢混凝土异形柱的抗剪承载力分析［J］.土木工程学报，2007，40（7）：30-36.

［4］王明贵，张莉若，谭世友.钢异形柱弯扭相关屈曲研究［J］.钢结构，2006，21（4），35-37.

［5］沈炎祖，陈之毅.矩形钢管混凝土结构设计施工中的若干问题［C］//第三届海峡两岸及香港钢及金属结构技术研讨会.上海，2001：18-28.