钢管混凝土异形柱研究的论述★

刘 洋 张 宇 王 丽 焦之森

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

1 概述

异形柱主要存在于钢筋混凝土框架结构的住宅(2层～4层的别墅较多)当中，它使得框架柱的布置更加灵活，墙面平整美观，空间使用更加合理。为了保证户型的美观和房屋的实际使用功能，大多时候异形柱的宽度与两侧的墙厚一致，因此异形柱较矩形柱的双向刚度都有所减弱，进而其承载力有明显的降低。如果使异形柱的宽度增加，其性质又接近短肢剪力墙，使其成本上升，经济性较差。钢管混凝土具有造型简单、施工方便等特点，其最大的优势就是使钢材和混凝土实现了完美的结合。钢材的套箍作用约束了混凝土的变形，提高了混凝土的承载能力和延性；混凝土良好的耐火性也可防止因钢材耐火性差导致构件破坏房屋倒塌的现象发生。如果合理的采用钢管混凝土形成异形柱一定会改变钢筋混凝土异形柱在承载力不足的问题。

对于钢管混凝土异形柱我国的一些学者和研究人员已经有所涉猎，但用现有的研究成果去指导设计和施工任重而道远。本文就将对钢管混凝土异形柱现有的研究成果做一简单的综述，为以后研究提供一些帮助。

2 钢管混凝土异形柱类型

钢管混凝土异形柱样式较多，根据其形状主要分为：L形、T形、十字形；根据钢管的位置分为：钢管外箍式和方钢管组合式；对于是否设置加劲肋分为：有加劲肋和无加劲肋两种类型(见图1)。钢管混凝土异形柱除了以上的型式外，还有一种由单肢钢管混凝土柱通过钢板或缀条相互连接的型式(见图2)。

3 钢管混凝土异形柱研究方法及研究成果

3.1 试验法

2009年同济大学的林震宇根据不同的轴压比和有无加劲肋的正交试验设计了7根L形外箍式钢管混凝土柱，采用拟动力试验对7根L形外箍式钢管混凝土柱进行了抗震性能的研究，得到了加劲肋对L形外箍式钢管混凝土柱的承载力、延性和抗震性能均有提高[1]。

2019年山东建筑大学的王周泰设计了9个试件，以长细比，偏心率，含钢率和弯矩的作用方向为控制变量，通过这些变量来研究其偏心受压能力。首先，异形柱在实验过程中并没有出现平面外失稳，体现其良好的稳定能力；其次，长细比的不同呈现了不同的破坏形式，主要出现了剪切破坏和弯曲破坏两种形式。到达极限状态时，弯曲变形对构件的影响比扭转变形的影响更加明显，扭转变形的影响可忽略不计；最后，试验结果表明偏心距、含钢率、长细比对其力学性能的影响依次降低[2]。

2019年山东建筑大学的李明洋对5组L形方钢管组合式钢管混凝土柱进行了轴向压力静载试验，得到结论如下：首先，长细比不同的构件的破坏形式趋于一致，均出现了整体和局部失稳，只是出现的顺序不尽相同。长细比较小的构件先出现局部失稳，而长细比较大的构件先出现整体失稳；其次，对于含钢率和混凝土强度较高的构件，其承载力高、稳定性更好，这与我们的专业常识相一致，并且其强化阶段更加明显，这里长细比较大的构件的承载力较长细比较小的构件的承载力要差，同时失稳也更加明显；最后，所有试验过程中，均没有出现钢管撕裂现象，证明钢管混凝土异形柱的受力性能优良[3]。

2019年天津大学的周婷在ANSI/AISC360-05，GB 50936和DB29等计算方法的基础上增加DB29叠加理论得到了钢管混凝土异形柱的计算公式和单肢失稳的计算方法。通过试验对计算公式的合理性进行了验证，试验结果与计算结果吻合良好[4]。

2019年宿迁学院的朱浩对图2中的L形钢管混凝土异形柱的轴心受力进行了研究，得到了该柱的荷载—竖向位移曲线、竖向应力—应变曲线和水平位移曲线，得出了以下结论：

1)该柱破坏时只出现了局部失稳，并未出现整体失稳；

2)在构件破坏时产生了较大形变，并且能够继续提供一定的承载力，证明该种钢管混凝土异形柱具有良好的延性；

3)得到该柱的极限承载力，证明该种钢管混凝土具有良好的承载能力；

4)由于连接钢管混凝土为单钢，其协调变形能力较弱[8]。文献[8]由于试验样本较少，得到的结果和规律较少，降低了其参考价值。

3.2 数值仿真法

2019年东北石油大学的李文ABAQUS软件模拟了6组L形、T形外箍式钢管混凝土柱的力学性能研究，主要研究了含钢率对L形、T形外箍式钢管混凝土柱的力学性能研究的影响。模拟结果表明含钢率对L形、T形外箍式钢管混凝土柱的力学性能改善并不理想，因此可以通过降低含钢率来节约外箍式钢管混凝土柱的经济成本[5]。

文献[2]运用ABAQUS进行了数值仿真。首先，建立了钢管混凝土异形柱的有限元模型，并与偏心受力试验结果进行了对比，结果基本吻合；其次，数值模拟得到了与试验基本一致的结果就是偏心距、含钢率、长细比对其力学性能的影响依次降低；最后，通过试验和数值模拟得到了大量的相关数据，进而拟合了单向和双向偏心受压承载力公式，公式与数据吻合良好。

文献[3]对L形方钢管组合式钢管混凝土柱轴心受压力学性能进行了有限元模拟，并且与荷载比值法和柱子曲线法得到的结果进行对比，结果吻合良好；其次，研究了含钢率、钢材型号、混凝土强度等因素对L形方钢管组合式钢管混凝土柱力学性能的影响。试验结果表明钢材型号对构件力学性能影响最为明显，其对构件的极限承载力可提高27%，而含钢率、混凝土强度对构件极限承载力提高只有24.2%和6.4%；最后，结合工程经验提出了L形方钢管混凝土组合异形柱稳定承载力公式。

2019年天津大学的赵炳震运用等效刚度和实际建模的方法对图2型式的方钢管混凝土组合异形柱进行分析。得到了方钢管混凝土组合异形柱的周期、抗侧刚度、层间剪力、剪重比、位移角和位移比等指标一致。验证了方钢管混凝土组合异形柱建模方法的合理性，为后续的研究提供了基础[6]。

2019年商丘工学院的宗景美模拟了9组钢管混凝土异形柱构件，对柱子的宽度、长度和高度三方面因素对其抗震性能的影响进行了研究。首先，利用ABAQUS建立1∶2的有限元模型，其采用二次实体单元C3D20R，该单元较为高效可计算一般的分析工作。文献[7]的有限元模型并未于已有试验结果进行对比，因此模拟结果的有效性有待考究；其次，对柱子的宽度、长度和高度三方面因素对其抗震性能的影响的规律做出了总结。宽度的增加对柱子的水平承载力有所降低。长度的增加对柱子的水平承载力会有所增加，水平位移变化不大。高度的增加也会对柱子的水平承载力有所降低；最后，根据其变化规律提出工程指导意见，设计中要严格控制钢管混凝土异形柱的长细比，可以适当提高柱子的宽度[7]。

4 结语

我国在钢管混凝土异形柱的研究已经取得了一些成果，尤其是它的力学性能，主要表现在它竖向的承载力和抗震性能上，也在多方面上证明它可以弥补钢筋混凝土的缺点和不足，因此它未来在多层别墅中的应用还是有很广阔的前景。但就目前的研究成果来看，钢管混凝土异形柱广泛应用到建筑中还是有一定难度的，尤其是节点的处理、抗震措施的设置和耐火性能，还需要大量的试验与研究的数据和经验来指导其施工，因此以上的问题也正是钢管混凝土研究人员和学者未来的研究方向。