蜂窝状钢骨混凝土异形柱初探.pdf

7 6 低温建筑技术 2 0 1 5 年第5期( 总第 2 0 3 期) D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j e n k i a w j z 2 0 1 5 0 5 0 2 7 蜂窝状钢骨混凝土异形柱初探 林沂祥 ， 郑廷银 ( 1 江苏华源建筑设计研究院股份有 限公 司 江苏常州2 1 3 0 2 2； 2 南京工业大学土木工程学院 。 南京2 1 0 0 0 9) 【 摘要】 对不同材料组成的异形柱的研究成果作了简单介绍 ， 总结了新型异形柱一一蜂窝状钢骨混凝土 异形柱的受力特性， 并提出了若干需要研究解决的问题 ， 最后， 对其研究及应用前景进行了展望。 【 关键词】 钢骨混凝土； 蜂窝状钢骨； 异形柱 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 7 6 0 3 随着国家的经济发展， 人们对住宅的空间及面积 使用的要求也越来越高， 使得钢筋混凝土异形柱结构 在实际工程中得到了非常广泛的应用。但是， 由于承 载力有 限 ， 它的应 用范 围受 到 了很 大 的 限制 ， 很 多高 校及科研机构为了推广异形柱的发展， 将型钢置于钢 筋混凝土异形柱中， 形成桁架式钢骨混凝土异形柱或 实腹式钢骨混凝土异形柱， 大大提高了异形柱的承载 能力和延性 。桁架式钢骨混凝土异形柱虽然可以 提高型钢与混凝土两者的协同工作能力， 但受其钢骨 自身性能的影响， 梁柱节点处理 比较麻烦且施工复 杂， 其抗剪能力及抗震性能受到了约束 ； 而实腹式钢 骨混凝土异形柱用钢量较大， 型钢与混凝土之间缺乏 足够 的粘结 力 ， 影 响钢 骨与 混凝 土协 同工 作 ， 进 而影 响异形柱的承载力等受力性能。因此， 为了改善钢骨 混凝土异形柱的受力性能， 并让异形柱框架在中高层 住宅建筑 中得到更广 泛的应用 ， 我们在实 腹式 钢骨 的 基础上进行改进， 提出蜂窝状钢骨混凝土异形柱结 构 ， 即在 钢骨 的腹板 上 开一定 形状 及数 量 的孔洞 ， 钢 骨与混凝土之间可以有效紧密地粘结为一个整体 ， 并 且可以省去栓钉， 节约了成本 ， 其截面形状如 图 1所 示。目前 ， 蜂窝状钢骨混凝土异形柱的研究还处于起 加固后提高了试验梁在正常使用荷载下的刚度。 ( 2 ) 在相同荷载下， 碳纤维布可有小 的减小混 凝土跨 中截面上下缘 的应力 ， 且 随着碳 纤维 布用量 的 增加进一步 的减小混凝土跨 中截面上下缘应力 。 ( 3 ) 从 B 1 ， J 2和 J 1的钢筋跨 中应力对 比可 以得 出， 碳纤维布对提高了混凝土梁的承载力， 减小了钢 筋的应变， 从而减小了钢筋应力， 在增大碳纤维布用 量之后， 会更进一步的增大承载能力 ， 减小钢筋应力。 参考文献 1 吴刚 安琳， 吕志涛 碳纤维布用于钢筋混凝梁抗弯加固的试 步阶段， 很多受力性能及计算方法还有待试验 和研 究。在分析此异形柱受力机理和理论时， 借鉴已经成 熟的钢筋混凝土异形柱 、 型钢混凝土柱及钢骨混凝土 异形柱 已有 的研究成 果 ， 对指导 蜂窝状 钢骨混 凝土 异 形柱的研究工作是比较可行的思路之一。 1 钢筋混凝土异形柱结构 国外对于钢筋混凝土异形柱的研究不是太多， 主 要集中在计算机程序的理论分析方面， 对异形柱构件 试验研究较 少 。对 异形 柱结 构 的理 论分 析 与试 验研 究主要在我 国。随着 国家 对钢 筋 混凝 土异 形 柱 的推 广， 从八十年代开始， 华南理工大学 天津大学和大连 理工大学等单位相继对异形柱进行了一系列研究， 国 内对于异形柱结构 的研究 ( 包 括平面框 架 、 构件 、 节点 和空间结构的整体性能等) 取得了很多可喜 的成绩 ， 异形柱框架结构理论体系已比较完善。并结合实际 工程应 用 ， 已相继出台地方 标准 和 国家标 准供 设计人 员采用。钢筋混凝土异形柱结构是 目前国内研究和 应用最为广泛 的异形柱类型 。 2 钢 骨混凝土结构 对于钢骨混凝土结构( S R C) 的研究， 目前世界上 主要有三种类型的计算理论， 即分别基 于钢结构方 验研究 J 建筑结构 ， 2 0 0 0， 3 O ( 7) ： 3 6 2 赵彤， 谢剑， 戴自强 碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承载 力试验研究 J 建筑结构， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 7 ) ： 1 1 1 5 3 陈小兵 ， 颜子涵 ， 岳清瑞 ， 等 碳纤维材料加 固钢筋混凝 土梁 的试验研究 J 工业建筑， 1 9 9 8 ， 8 ( 1 1 ) ： 6 1 0 4 朱伯龙 混凝 土结构设计 原理 M 上 海 ： 同济 大学 出版社 ， 2 0 0 9： 5 6 7 8 5 刘鸿文 材料力学( 第三版) 上册 M 北京： 高等教育出版社 出版 ， 1 9 9 1 ： 3 3 4 1 收稿 日 期】 2 0 1 5 0 1 2 6 作者简介 江阿兰( 1 9 7 5一) ， 女， 内蒙古乌兰浩特人， 教授， 研究方 向： 桥梁结构健康诊断与旧桥加固技术 。 林沂祥等 ： 蜂窝状钢骨混凝土异形柱初探 向、 R C结构方向的计算理论和建立在二者基础上 的 叠加计算理论。 钢骨 箍躺 - z 钢骨 、 、 、 一 箍筋 目 冒 J 钢骨 、 、一 纵筋 箍筋 _ r 目 层 L 目 目 J ( B) 蟛 柱 ( b)T N柱 ( c )十字形柱 图 1 蜂窝状钢骨混凝土柱截面示意 我国是从 2 0世纪 5 0年代初开始从前苏联引进了 S R C结构 ， 冶金工业部颁布了我国第一部 S R C结构设 计规范即 Y B 9 0 8 29 7 钢骨混凝土结构设计规范 。 2 0 0 1 年我国第一部 J G J 1 3 8 2 0 0 1 型钢混凝土组合结 构技术规程 颁布执行。以上两种规范内容以实腹式 钢骨混凝土为主。随着建筑业 的不断发展 ， 科研工作 者的不懈努力 ， S R C结构在我国的建筑行业 中起到举 足轻重的作用， 型钢混凝土在我国很多地区的多高层 建筑中都有所应用。 3 钢骨混凝土异形柱 对钢骨混凝土异形柱的研究只是在近几年， 而且 主要是对构件 的研究 。 广西大学对桁 架 式钢 骨混 凝 土不 等肢 L形 柱 、 T 形柱及 十字 形柱 的正 截 面承 载力 进行 了试验 研究 与 理论分析 ， 从而初步掌握了 S R C异形柱的承载力规 律 、 破坏形态 。并 对 影响异 形 柱正截 面 承载力 的 因素进行了理论计算分析 。 西安理工大学对钢骨混凝土 T 、 L形柱进行了轴 压、 抗震及抗剪性能的试验研究， 得 出了加骨异形柱 的承载力比普通异形柱有显著地提高； 在承受水平周 期性加 载时 ， 加 骨 柱 的变 形 能 力 及 刚 度 比无 骨 柱 要 大； 并计算了钢骨异形柱在不同参数下的 一相关 曲线 、 Mx My相关 曲线 和不 同参数 下界 限破 坏轴 压 力系数的变化情况 ， 并提出抗剪承载力计算公式 。 北京工业 大学 结合 北 京财 富 中心办 公 楼 中用 到 的钢骨异形柱 ， 对 1 4缩 尺的钢 骨异形 柱模 型进行 了 抗震性能试验研究。分析了钢骨异形柱的承载力 、 延 性、 刚度、 滞回特性和破坏特征等性能， 研究表明钢骨 混凝土异形柱有良好的抗震性能， 其正截面承受正向 弯矩时的延性比承受负向弯矩时的延性好 。 浙江大学对 T形型钢混 凝土柱 在双 向偏心受 压 、 单向偏心受压情况下 的正截面承载能力进行了有限 元分析 ， 在获得构件的破坏形态、 应力应变发展、 极限 荷载和荷载位移曲线的基础上推导出了 T形柱双 向 偏心受压下的正截面强度近似计算公式， 以及单向偏 心受压正截面强度计算公式 。 西安建筑科技大学对异形柱进行了低周反复加 载试验， 用试验结果、 自编程序及 X T R A C T软件计算 结果， 分析了不同截面形式、 配钢率 、 配钢形式 、 混凝 土强度等级、 加载角等情况下钢骨混凝土异形柱的承 载力变化规律， 并提出了合理的配钢形式 。 4 蜂 窝状钢 骨混凝土异形柱 的受力特性 南京工业大学对蜂窝状钢骨混凝土不等肢 L形 柱 、 不对称 T形柱 及不对称 十字形柱异形 柱进行 了一 系列试验， 并采用 A N S Y S 有限元程序对构件进行了多 参数分析， 通过研究主要得到了如下结论： ( 1 ) 正截面承载力： 研究表明， 异形柱破坏形态 与普通钢筋混凝土构件相似， 横截面平均应变基本符 合平截面假定， 腹板开洞有利于增强混凝土与钢骨之 间 的粘结效果 ， 钢骨腹板 开洞基 本不影 响异形 柱 的极 限承载力。该新型构件极限承载力 随配箍率、 配钢 率、 钢材强度、 混凝土强度的增加而增加 ， 但随加载 角、 偏心距及长细比的增加而降低 ； 加载角和偏心距 对此异形柱的正截面承载力影响很大 ， 设计时宜尽量 避免出现大偏心距和不利加载角的受力状态 卜” 。 ( 2 ) 斜截面承载力： 蜂窝状钢骨混凝土异形柱 的斜截面抗剪性能优于桁架式钢骨混凝柱异形柱 ； 在 相应荷载作用下， 该新型柱与钢筋混凝土柱的抗剪破 坏形 态相 似 ， 平截 面 假定依 然 适用 ； 该新 型柱 的斜 截 面极限抗剪承载力随着型钢强度、 混凝土强度 配钢 率、 配箍率及轴压系数的增加而增加， 但随剪跨比的 增加而降低； 其中剪跨 比和轴压系数是影响异形柱斜 截面抗剪性能 比较敏感的因素； 钢骨腹板高厚比、 腹 板开洞率等对柱子的抗剪承载力影响较大 ， 而腹板肢 偏移系数、 配箍率对柱子的抗剪承载力影响有限 。 ( 3 ) 连接节点： 进行典型强 、 弱两组节点单调加 7 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期 ( 总第 2 0 3期 ) 载试验和非线性分析 ， 考察了典型强、 弱节点 的承载 能力、 破坏形态及轴压比、 配箍率等对节点承载力的 影响 。结果表 明：强 、 弱节 点破坏 模式 分别 为梁 铰失 效模式和剪切失效模式； 强节点承载力主要 由钢梁尺 寸和钢材强度决定 ， 弱节点承载力主要 由配箍率、 混 凝土强度、 节点区型钢腹板强度和高厚比决定 ” 。 ( 4 ) 抗震性能： 对 L形柱进行了低周反复水平 荷载试 验 ， 研 究 了 L形 柱 的破 坏 形 态 、 延 性 、 滞 回特 性 、 黏滞阻尼 系数 等抗 震性 能 。研 究 表 明 ： 钢 骨 的存 在 ， 延 缓 了异形 柱 的刚度退 化 ， 增 强 了结构 的抗 震性 能及耗能能力 ， 提高 了延性 ； 构件 的极 限承载力随着 轴压 比的增大而增 大 ， 耗能能力 随着黏 滞阻尼 系数及 延性的减小而降低； L形柱的正、 反方向承载力及延性 有所差别 “ 。利用 A N S Y S软件对 T形柱低周反复荷 载作用下的抗震性能进行分析， 结果表 明： 轴压力系 数和剪跨比对试件的延性有很大影响； 而体积配箍率 对提高柱子延性和承载力有一定贡献， 但不显著 ； 适 当的钢骨腹板 开洞率 可以提高试件的延性和承载 能力 。 5 有待进一步研 究的问题 蜂窝状钢骨混凝土异形柱是一种新型钢骨异形 柱构件 ， 目前 国内外 的有关理 论研 究太 少 ， 还 没有 成 熟的理论供设计者参考， 将研究成果用于实际工程， 还需要做很多工作。笔者认为还存在一些有待进一 步深入研究 的问题 ： ( 1 ) 蜂窝状钢骨混凝土异形柱的受力机理如 何 ， 腹板开洞率多大最为理想， 这些问题都有待于详 细研究 ， 蜂窝状钢骨是否可以像普通 H型钢一样， 实 现工业化生产 。 ( 2 ) 目前对此研究 的截面形式较单一 ， 研究的 参数还 不全 面 ， 而 在实 际应 用 中， 无 论是 截 面形式 还 是受力方式却多种多样 ， 所 以有必要对其它形式的异 形柱及参数如轴压比， 肢长肢厚 比等进行系统研究。 ( 3 ) 在计算分析上与桁架式钢骨混凝土异形柱 有哪些不同， 开洞后的腹板与桁架式钢骨的腹杆在组 合柱中的计算有什么区别， 其理论计算需要完善。 ( 4 ) 蜂窝状钢骨混凝土异字形柱放到整个结构 体系中的性能分析 ， 因为构件的研究毕竟与放到整个 结构中的受力有所 差异。 ( 5 ) 钢骨混凝土异形柱截面比较复杂 ， 利用有 限元计算方法进行计算， 工作量太大 ， 如何对其进行 优化设计并获取实用计算公式还需进行深入研究。 6结语 蜂窝状钢骨混凝土异形柱作为一种新型的异形 柱 ， 与普通混凝土异形柱相比， 它承载力高， 抗震性能 好 ， 与钢结构柱相 比， 其外包混凝土可以增加结构耐 火性及耐久性， 并能防止钢构件局部屈曲， 因而对这 种新型异形柱进行受力特性 的分析具有十分重要的 研究意义和工程实 际意义 。并且 ， 由于 型钢采 用蜂 窝 状腹板， 型钢与混凝土可以更 好地协同工作， 因此具 有 良好的受力性能， 可应用于多高层建筑结构中， 具 有广 泛的应 用前景 。 参考文献 1 叶列平 ， 方鄂华 钢骨混凝 上构件 的受力性能 研究综述 J 土木工程学报 ， 2 0 0 0， 3 3 ( 5 ) ： 1 一l 2 2 苏益声， 胡飞鹏， 杨德磊 钢骨混凝土异形柱正截面承载力影 响因素探讨 J 广西大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 4 ) ， 2 7 2 2 7 4 3 陈宗平 桁架式钢骨的混凝土异形柱 一 不对称 T形截面正截 面承载力研究 D 南 宁： 广西大学 ， 2 0 0 4 4 宋怀金 桁架式钢骨混凝土异形柱 一不等肢 L形截 面正截面 承载力研究 D 南宁： 广西大学， 2 0 0 5 5 秦玲 钢骨混凝土异形柱 一不对称十字形截 面正截面承载力 试验研究 D 南宁 ： 广西大学 ， 2 0 0 6 6 徐凯 钢骨混凝土异形柱的数值仿真分析 D 西安： 西安理 工大学 ， 2 0 0 6 7 赵岩峰 钢骨混凝土异形柱正截面与斜截面承载力研究 D 西安： 西安理工大学 ， 2 0 0 7 8 樊太 钢骨 混 凝土 异 形 截面 柱抗 震 性 能 试验 及 理 论分 析 D 北京： 北京工业大学， 2 0 0 4 9 丁志浩 T形型钢 混凝土柱 正截 面强度研 究 D 杭 州 ： 浙江 大学 ， 2 0 0 5 1 0 赵永宏 型钢混凝土异形框架柱正截面承载力研究 D 西 安 西安建筑科技大学 。 2 0 0 7 1 1 陈志军 蜂窝状 钢骨 混凝土 L形 柱受力 性能研 究 D 南 京 ： 南京 工业大学 ， 2 0 0 7 1 2 蔡万军 蜂窝状钢骨混凝土 T形柱的静力性能研究 D 南 京 ： 南京工业大学 ， 2 0 0 8 1 3 林沂祥 蜂窝状钢骨混凝土不对称十字形柱正截面承载力 研究 D 南京 ： 南京工业大学， 2 0 0 8 1 4 郑廷银 ， 陈亮 ， 蔡万军 蜂窝状钢 骨混凝土 T形截 面异形柱 的斜截面受力性能分析 J 建筑钢结 构进展 ， 2 0 1 0， 1 2 ( 4) ： l 72 3 1 5 郑廷银， 强寒丹， 伏晓煜， 等 蜂窝状钢骨混凝土十字形柱 一 钢梁连接节点性能 J 南京工业大学学报 ：自然科学版， 2 O l 1 ， 3 3 ( 5 ) ：l一 6 1 6 郑廷银， 曹吴鹏， 吴靖宇， 蜂窝状钢骨混凝土 L形截面异形柱 的抗剪性能分析 J 工业建筑， 2 o 1 4 ， 4 4 ( 5 ) ： 1 2 2 1 2 7 1 7 郑廷银， 吴靖宇， 伏晓煜， 等 蜂窝状钢骨混凝土 T形柱 一 钢 梁连接节点性能分析 J 南京工业大学学报： 自然科学版 ， 2 o 1 2， 3 4 ( 2 ) ： 7 88 4 1 8 伏 晓煜 蜂 窝状 钢骨混 凝土 T形 柱滞 回特性研 究 D 南 京 ： 南京工业大学 ， 2 0 1 2 收稿 日期 】 2 o 1 5一O l一 2 8 作者简介 林沂祥( 1 9 8 1一) ， 男 ， 江苏仪征人 ， 硕士 ， 工程师 从事结构工程设计 相关工作 。