钢管混凝土异形柱力学性能分析与抗震性概述

钢管混凝土异形柱力学性能分析与抗震性概述摘要：钢管混凝土异形柱，是在异形截面钢管柱中浇注混凝土形成的异形柱结构。

钢管混凝土异形柱具有良好的抗弯性能、抗剪性能、轴压性能和反复荷载作用下的力学性能，比以前的建筑结构有了较大的改进。

而且通过专家学者的抗震性试验研究来看，钢管混凝土异形柱的抗震性能都得到普遍认可，在今后的建筑中将得到普遍重视。

关键词：钢管混凝土异形柱力学性能抗震性
钢管混凝土异形柱，是在异形截面钢管柱中浇注混凝土形成的异形柱结构。

简单地说，将混凝土灌入异形钢管中就形成了钢管混凝土异形柱。

钢管混凝土柱在竖向上承载力高，能够承担较大的竖向荷载；特别是其中的混凝土核心筒，它的抗侧刚度大，能够有效地抵抗地震影响。

外层钢管与内层核心混凝土共同承受着来自不同方向的荷载，同时外层的钢管为核心混凝土提供着强大的约束作用。

这种组合方式进而使得钢管混凝土异形柱的抗震性能比传统的普通钢筋混凝土异形柱的抗震性能大为提高。

钢管混凝土异形柱由于组合结构力学良好，施工性能较优，被广泛应用于各类工程领域当中。

1 钢管混凝土异形柱的力学性能分析
钢管混凝土异形柱的力学性能研究目前主要集中在静力性能方面（苏忍、刘光烨、杨远龙，2012）。

学者们通过多项研究，详细分析了钢管混凝土异形柱的抗弯性能、抗剪性能、轴压性能、偏压性能
以及反复荷载作用下的力学性能（赵良、李成玉，2012）。

钢管混凝土异形柱的抗弯性能分析。

刘胜兵、徐礼华和温芳（2008）进行了Ｔ形钢管混凝土组合构件的抗弯试验，研究得出T 型钢管混凝土组合构件在几种不同的弯曲程度下都表现出了较好的力学性能。

徐礼华、刘胜兵和温芳等（2009）对T形柱进行抗弯试验，提出了该类型构件的抗弯极限承载力计算公式。

此外，还有不少学者进行了类似的实验研究，也普遍得出，钢管混凝土短柱在遇到偏心压力作用时，由于存在核心的混凝土延缓了钢管过早的局部屈曲，使得弹塑性工作性能较好。

钢管混凝土异形柱的抗剪性能分析。

徐礼华、徐浩然和杜国锋等（2009）也对T形柱进行了抗剪试验，试验结果表明试件的破坏形态随剪跨比的大小可以分为剪切型、弯曲型和弯剪型三种情况；T形柱抗剪承载力随着套箍指标和轴压比的增大而提高，随着剪跨比的增大而减小。

钢管混凝土异形柱的轴压受力分析。

国内外轴压试验装置类似，都是利用千斤顶或者压力机向钢管混凝土异形柱施加轴力，然后观测和计算受压后果。

相对而言，轴压受力分析相对容易，也是学者们实验较多的方法。

杜国锋、徐礼华和徐浩然等（2008）先后对多组T 形短柱进行轴压试验表明，T形短柱试件表现出腰鼓型破坏；随着管壁增厚，试件的极限承载力增大，延性提高；随着腹板宽度和厚度的增加，试件的极限承载力也得到提高。

林震宇、沈祖炎和罗金辉等
（2009）对Ｌ形钢管混凝土短柱进行了有加劲和无加劲的轴压试验，实验发现：Ｌ形钢管混凝土柱受力性能较好；钢管的宽厚比不大于60时，加劲肋可以有效地提高Ｌ形钢管混凝土的延性。

张继承、林震宇（2011）研究Ｌ形钢管混凝土柱轴心受压时发现，Ｌ形钢管对核心混凝土的约束作用在试件的不同高度位置和不同的截面位置上表现不同。

其中，截面上在角部位置具有最大的约束力，在试件的中部高度位置具有最大的约束力；而且Ｌ形钢管对核心混凝土的约束作用受到构件长宽比和宽厚比的影响。

钢管混凝土异形柱的偏心受压分析。

杜国锋、徐礼华和徐浩然等（2010）通过偏心受压试验，组合Ｔ形钢管混凝土柱压弯性能进行研究得出，Ｔ形钢管混凝土柱受到偏心压力作用时，都表现出弯曲失稳破坏情况；其中钢管自身的长细比越大，弯曲破坏特征越明显；偏心距越大，试件极限承载力越低。

孙刚和左志亮分别于2008和2010年对L形短柱、T形短柱和十字形短柱进行了偏压试验，发现约束拉杆在降低偏压影响方面具有明显的作用，约束拉杆能够延迟钢管局部屈曲的发生，改变钢管的屈曲模态，提高异形截面钢管混凝土柱的承载力和延性。

饶炜（2010）试验结果也得出，对于Ｔ形柱，采用改进的带约束拉杆异形钢管混凝土柱对于提高构件的极限承载力和抗震性能很有好处。

钢管混凝土异形柱在反复荷载下的力学性能分析。

王丹（2005）、王丹、吕西林（2005）先后对Ｔ形和Ｌ形钢管混凝土柱进行了低周反
复荷载试验，发现力学性能良好。

饶炜（2010）对Ｔ形钢管混凝土柱进行了试验研究，而且实际检测了Ｔ形钢管混凝土柱的轴压比、钢管厚度、混凝土强度和截面类型对这种构件抗震性能的影响。

上述研究都表明，Ｔ形钢管混凝土柱构件的滞回曲线具有良好的稳定性，曲线形状饱满，呈梭形，耗能能力较好。

此外，王丹（2005）以及王丹、吕西林（2005）研究发现，Ｔ形、Ｌ形钢管混凝土柱的极限荷载和延性性能随着钢管壁厚度的增加而提高，随着核心混凝土强度提高而提高。

2 钢管混凝土异形柱的抗震性能分析
地震是对建筑物造成破坏的重要自然灾害之一，一直受到建筑学者和施工人员的关注。

地震以波的形式从震源向四周快速传播，通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构发生不规则的往复振动和激烈的变形。

因此，为了有效降低地震造成的破坏，国内外都积极探索具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面性能的结构构件。

钢管混凝土异形柱就是在这种情况下应运而生。

但是，当钢管混凝土结构承受地震作用时力学性能更为复杂（李威，2011）。

从总体而言，钢管混凝土异形柱遇到地震作用时，承受着混凝土柱和框架梁传来的轴向力、弯矩和剪力（于旭，刘伟庆，2006）。

同时，外层钢管的作用使得核心混凝土受到三个方向上的压力，特别是在节点位置，受到的压力比较复杂。

大多数的抗弯节点会同时受到抵抗弯矩和剪力（张婷、肖亚明，2009），对于钢管混凝土异形柱中最
为典型的刚性节点，弯矩是以翼缘上受拉和受压的形式由梁传给柱。

在T形钢管混凝土异形柱与钢梁节点中，钢管和混凝土来共同承担压力，水平加劲板和钢管腹板来共同承担拉力（王丹、吕西林，2005）。

因此，钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点具有较好的延性和抗震性能。

从学者所研究的结果来看，普遍发现，钢管混凝土异形柱所承受的抗震性能较高。

王丹、吕西林（2005）对T形和L形钢管混凝土异形柱的抗震性能试验得出：①水平反复荷载作用时，各构件的滞回曲线具有良好的稳定性，滞回曲线形状饱满而且呈纺锤形，耗能性能良好；②延性和极限荷载都随着钢管壁厚度的增加而提高；③构件的延性随着轴压比的增大而下降，极限荷载却并没有随着轴压比的增大而持续增大；④核心混凝土强度的提高能够显著影响构件的极限荷载。

贺红、马克检（2008）对L形和T形钢管混凝土异形柱进行轴压试验得出：两种形式的钢管混凝土组合柱的约束性能比普通矩形钢管混凝土的约束性能和抗弯刚度都高；荷载不大时，核心混凝土和钢管协调工作良好；荷载变大时，钢管与核心混凝土靠销钉的拉接作用共同工作。

傅冬、戴绍斌（2010）对钢管混凝土组合柱试件进行抗震性能试验，研究表明：轴压比和核心混凝土强度对试件承载力和刚度影响不明显；钢管壁厚对试件的承载力和刚度影响较大，试件的承载力和刚度随钢管壁厚的增加而增大；L形异钢管混凝土组合柱抗震性能良好。

林明森（2012）试验得出，钢管柱基本没有明显的局部屈曲或塑性变形，表明钢管柱刚度较大；各试件的滞回曲线表现出良好的
稳定性，耗能能力比较好；轴压比对节点抗震性能影响较大；核心混凝土的强度对节点的抗震性能有一定影响；钢管壁的厚度对节点抗震性能影响较小；钢材屈服强度对节点抗震性能影响较为明显。

另外，学者的研究显示，钢管混凝土柱相对钢筋混凝土柱而言，刚度和承载力变得更高，耗能性能更好（王玉银、杨远龙、张素梅，2009）。

3 结语
自从人类认识到地震危害以来，就对地震的防御工作和方法就进行了孜孜不倦的研究。

钢管混凝土异形柱这种构件是钢管混凝土结构和异形柱结构组合产生的一种新型的结构体系。

无论是从抗弯性能、抗剪性能、轴压性能、偏压性能以及反复荷载作用下的力学性能分析来看，还是通过专家学者的抗震性试验研究来看，钢管混凝土异形柱的抗震性能都得到普遍认可。

这种建筑结构形式不仅具有异形柱结构柱楞在室内不凸出、少占建筑空间、美观适用等优点，而且钢管混凝土结构承载能力高、抗震性能好。

相信这种结构形式在今后的建筑中必将得到普遍重视。

参考文献
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