非对称配钢型钢混凝土柱研究现状分析

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

型钢混凝土结构是指在混凝土中配置型钢(轧制或焊接成型），并且配有一定的受力钢筋及构造钢筋的结构，是钢与混凝土组合结构的一种主要形式[1]。型钢混凝土结构通过钢与混凝土的协同作用充分利用了2种材料的承载能力，具有强度高、刚度大、延性好、施工快的特点，是一种具有优异抗震性能的结构体系，而且其耐火性能和耐久性能均优于钢结构，具有良好的经济效益。并且型钢混凝土构件的受力性能优于钢结构和普通混凝土结构性能的简单叠加。由于型钢混凝土结构有很多优点，所以其通常用于高层建筑和大跨度结构中的压弯构件，在工程实践中常用的型钢混凝土柱的型钢形式和其在构件截面中的位置都是变化的，根据截面配钢形式的不同，可以分为对称截面型钢混凝土柱和非对称截面型钢混凝土柱。国内外对对称截面型钢混凝土柱的理论和试验研究较多，已有相关规程可参考，但是对非对称截面型钢混凝土柱，到目前为止相关研究较少，未见其抗震性能试验研究的相关报道。而非对称截面型钢混凝土柱在实际工程中的应用非常广泛，其在地震作用下的性能相比对称截面柱更加复杂。因此对不同配钢形式、不同混凝土强度等级、不同轴压比的对称截面型钢混凝土柱进行试验研究，确定其在反复荷载下的受力特点、截面应力和应变分布、裂缝开展、破坏形态、变形特征、延性性能，提出合理的计算理论和设计方法是紧迫而又颇具重要意义的。研究成果将为型钢混凝土结构的地震反应分析提供前提条件，以促进这种优越的抗震结构体系的推广和应用。

1 型钢混凝土结构在国内外的发展及应用

20世纪初，欧美各国开始对型钢混凝土柱进行各方面的研究。Burr在1908年做了空腹型钢混凝土柱的试验，发现有了混凝土外壳之后，使得柱子的强度和刚度得到了明显的提高。加拿大学者Mackay于1920年对混凝土内埋置钢柱的结构进行了研究，结果发现外包混凝土能与型钢共同工作。英国对此结构进行了理论分析，并在此分析的基础上于1969年将型钢混凝土柱写入英国钢结构规范BS449的第3部分，随后将桥梁中所用到的这种柱写入英国标准BS 5400的第5部分。后来欧美各国学者对型钢混凝土结构做了大量的试验研究，证明型钢混凝土结构比纯钢结构更具优越性，且节省钢材，并广泛用于实际工程中。简而言之，欧美地区对这种结构的运用还是比较早而且也是比较广泛的。

在日本，型钢混凝土结构与钢结构、木结构和普通混凝土结构并列为4大结构。日本对型钢混凝土结构研究相对我国比较早，而且运用比较广泛。在日本发生的很多大地震中，采用型钢混凝土结构的建筑物在大地震中几乎未遭破环或少量的轻微破坏，这就引起了日本工程界的重视。随着科学研究的大量进行和工程应用的实践，发现型钢混凝土结构具有承载力高、抗震性能好等优点，这就推动了日本对型钢混凝土结构的研究。在1951年日本建筑学会成立了钢骨钢筋混凝土结构分组，对型钢混凝土结构做了系统的研究。相隔7年后，1958年制定 《钢骨钢筋混凝土结构计算规程》，此规程提出了组合结构承载力的简化计算方法。后来，日本就对实腹式型钢混凝土结构进行了大量的试验研究，并于1963年第1次修改了1958年制定的 《钢骨钢筋混凝土结构计算规程》，到1987年，该规程又先后做了3次修改，基本形成较为完整的设计理论和方法。日本是个地震多发国，由于型钢混凝土结构具有优异的抗震性能，这种结构在日本也就得到了大量的研究和应用。

在我国型钢混凝土结构的发展比较晚，20世纪50年代，我国从国外引进了型钢混凝土结构，但是在后来的发展应用中由于过于追求节省钢材，在60年代末几乎停止使用。80年代以后，随着我国建筑行业的迅速发展，型钢混凝土结构在全国慢慢被重视起来。随后，国内几所知名高校如西安建筑科技大学、同济大学等开始对型钢混凝土结构进行了研究，得出了很多成果。经过几十年的工程实践和深入研究，并参考日本钢骨混凝土设计标准[2]，在1998年我国冶金部颁发了第1部YB9082-97《钢骨混凝土结构设计规程》[3]，经过几年的发展改进，2006年又颁布了YB 9082-2006《钢骨混凝土结构技术规程》[4]。目前国内已将这种结构用于各类大跨及超高层建筑中。例如上海环球金融中心底部采用了8根巨型高含钢量的型钢混凝土组合柱；北京CCTV大楼也在底部采用了型钢混凝土组合柱。据统计，我国共有33栋超高层建筑局部或全部采用了型钢混凝土组合结构，占全部超高层建筑的一半以上。

对称配钢型钢混凝土柱的研究较为成熟，在美国ACI-318、欧洲Eurocode 4、中国JGJ 138-2001和YB 9082-2006等相关规程中均有详细的分析计算方法可供工程设计参考借鉴，然而对非对称配钢型钢混凝土柱，在很多方面是有待研究与解决的。而且对非对称配钢型钢混凝土柱的研究是具有现实意义的，在某些情况下(建筑结构中的边柱、角柱，带吊车厂房的排架柱，桥梁结构中的一些墩台等），对称配钢型钢混凝土柱显然不能满足不均匀受力状态或平面尺寸的要求，而应采用不规则截面或规则截面但型钢不对称配置的结构形式。常见的截面形式有T形、L形和十形3种，这是根据建筑使用功能和建筑设计布置的要求而定的，一般角柱为L形，边柱为T形，中柱为十形。

2 非对称配钢型钢混凝土柱研究

与对称配钢型钢混凝土柱的研究相比，非对称配钢型钢混凝土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，现有的研究成果主要为正截面承载力简化计算方法，同时在相关文献中还没有见到过其抗震性能试验研究的报道。

目前已有的研究成果包括：Roik和Bergmman[5]提出了一种非对称配钢型钢混凝土柱正截面计算方法，该方法为一个简化的计算方法，是对CEC（1984）规程中双向对称配钢计算方法的修正，而且仅考虑了一个方向对称配钢的情况，对于L形、T形等双向不对称的情况未提出相应的分析；Rotter[6]等提出了弯压组合下型钢混凝土柱的弯矩-曲率关系，但研究中未涉及相应的设计计算方法；阿里甫江·夏木西[7]等利用非线性推覆分析(Push over）方法分析了型钢偏心对型钢混凝土柱承载力的影响，并分析了当型钢混凝土柱的长度和荷载作用位置等参数变化时，随着型钢偏心距的不同，型钢混凝土柱受力性能的变化情况，找出了型钢偏心对整柱承载力影响的变化规律。

综上所述，已有的关于非对称配钢型钢混凝土柱的研究仅停留于理论研究的层次，所提出的计算方法均为简化计算方法，其采用的计算假设与实际受力情况有一定的出入，而且对于非对称配钢型钢混凝土柱最重要的抗震性能还未见研究。

3 非对称配钢型钢混凝土柱研究有待解决的问题

3．1 非对称配钢型钢混凝土柱抗震性能复杂

非对称配钢型钢混凝土柱抗震性能较复杂，其在受力后期会出现明显的粘结滑移现象，从而影响构件的极限承载力和抗震性能。另一方面，由于横截面形状和钢筋、型钢配置不对称，非对称配钢型钢混凝土柱正、负两向滞回环将不对称，也使得非对称配钢型钢混凝土柱在地震作用下的受力性能更加复杂。

目前国内外对非对称配钢的型钢混凝土柱抗震性能的研究还不够系统，其研究工作主要集中于构件定性理论分析，而对影响非对称型钢混凝土柱抗震性能的研究缺乏，影响其破坏机制的各主要设计参数研究较少，未建立截面形式、配钢形式、配钢率、配箍率、轴压比、剪跨比等因素与非对称配钢的型钢混凝土柱延性和承载能力的相关关系，没有提出抗震设计时的轴压比限值，尚不能对非对称配钢型钢混凝土柱的工程应用提供直接技术支持。

3．2 非对称配钢型钢混凝土柱计算理论不清晰

目前确定型钢混凝土柱正截面承载力的方法有2类：一类是计算机分析方法，另一类是实用的简化计算方法，如中国JGJ 138-2001和YB 9082-2006中建议的简化计算方法，但上述方法还处于理论研究的层次，其计算理论尚不清晰，未经过试验研究和工程实践的验证。

4 结 语

非对称型钢混凝土柱具有承载力高、抗震性能好等优点，能够弥补普通钢筋混凝土柱以及钢柱的不足，具有广阔的推广应用前景。所以，应加快非对称配钢的型钢混凝土柱承载力与抗震性能研究，建立轴心受压、偏心受压时正截面承载力以及水平荷载下斜截面承载力的计算公式，获得反复荷载下非对称配钢型钢混凝土柱的各项抗震性能指标，建立延性计算公式以及轴压比限值，为其抗震、抗剪计算提供依据。

[1]赵鸿铁．钢与混凝土组合结构 [M]．北京：科学出版社，2001．

[2]日本建筑学会．钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解说 [M]．冯乃谦，叶列平译．北京：能源出版社，1998．

[3]中华人民共和国行业标准，钢骨混凝土结构设计规程(YB 9082-97）[M]．北京：冶金工业出版社，1998．

[4]中华人民共和国行业标准，钢骨混凝土结构设计规程(YB 9082-2006）[M]．北京：冶金工业出版社，2006．

[5]Roik K，Bergmann R．Design method for composite columns with unsymmetrical cross sections [J]．J Constr Steel Res，1990，15：153-168．

[6]Rotter J M．Rapid exact inelastic biaxial bending analysis [J]．J Struct Engrg，ASCE，1985，111(12）：2659-2674．

[7]阿里甫江·夏木西，张德娟．型钢混凝土柱的非线性推覆分析原理 [J]．新疆大学学报，2009，26（1）：121-126．