鋼異形柱結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與展望

張文明 栗增欣

0 引言

異形柱框架是指采用L字形、T形、十字形等非矩形截面柱與矩形或T形截面梁組成的梁柱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系空間的利用率高、抗震性能較好、施工周期短，提高了資金投資的效益。對(duì)鋼異形柱結(jié)構(gòu)的研究將會(huì)促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，特別是鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的產(chǎn)業(yè)化。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)鋼異形柱的研究主要圍繞截面特性和極限承載力這兩個(gè)方面，采用的研究手段主要是理論分析和有限元模擬，試驗(yàn)研究很少。

L.Gardner等[2]在試驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上提出了橢圓鋼管的長(zhǎng)細(xì)比參數(shù)及橫截面分類限值體系。根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比限值體系定義了四類截面。對(duì)于截面高寬比為1的特殊情況，和歐洲規(guī)范3給出的圓鋼管截面的長(zhǎng)細(xì)比限值是一致的。論文提出的橫截面分類體系會(huì)加快橢圓鋼管界面設(shè)計(jì)指南的發(fā)展。

黃用軍等[3]采用有限元軟件ABAQUS對(duì)菱形截面的鋼管壓彎構(gòu)件荷載—變形關(guān)系曲線進(jìn)行計(jì)算，得到以下結(jié)論:菱形鋼管壓彎構(gòu)件極限承載力隨角度的減小而降低，幅度一般在5%以內(nèi)，鋼材屈服強(qiáng)度和荷載偏心率對(duì)承載力降低幅度的影響規(guī)律不明顯。

文獻(xiàn)[4]提出由普通熱軋H形鋼和T形鋼焊接組成L形柱(見圖1)，采用彈性薄壁柱理論推導(dǎo)出任意開口截面柱彎扭屈曲相關(guān)方程，研究了L形鋼柱軸向受壓的承載力，得出曲線。該文指出這種鋼柱不僅不會(huì)凸出墻面占用室內(nèi)空間，還具有邊緣約束構(gòu)件的能力，其承載力比等截面面積的H形鋼高，抗扭性能比等截面面積的角鋼好。

圖1 L1形異形柱柱截面

圖2 L3形異形柱柱截面

在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，王明貴等[5]推導(dǎo)出了L形截面柱換算長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式，查“規(guī)范”[1]b類截面穩(wěn)定系數(shù)φ，得出L形截面柱軸心受壓實(shí)用設(shè)計(jì)公式，并做了幾組L形截面柱軸心受壓承載力試驗(yàn)。結(jié)果顯示:長(zhǎng)柱發(fā)生彎扭屈曲;短柱以彎曲屈曲為主，并伴有局部屈曲。

文獻(xiàn)[6]通過(guò)簡(jiǎn)化L形截面鋼柱的彎扭屈曲相關(guān)方程，采用梁柱理論和疊加原理，分析得出L形截面柱壓彎組合實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)算公式。做了幾組由普通熱軋H形鋼焊接而成的不同長(zhǎng)度L形截面柱的偏心受壓承載力試驗(yàn)，其截面尺寸如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，短柱呈現(xiàn)彎曲屈曲，長(zhǎng)柱呈現(xiàn)彎扭屈曲。

文獻(xiàn)[12]采用有限元軟件ANSYS研究了兩種截面的L形柱軸心受壓時(shí)的極限荷載，總結(jié)出φ曲線的簡(jiǎn)便計(jì)算公式，得到的曲線與“規(guī)范”[1]中的曲線進(jìn)行了比較。研究表明:1)截面越大初始幾何缺陷對(duì)如圖2所示L形柱極限承載力的影響越大;2)長(zhǎng)細(xì)比在一定范圍內(nèi)，初始幾何缺陷對(duì)極限承載力的影響最明顯;3)幾何缺陷從l/1000增大到l/750對(duì)極限承載力的影響不明顯;柱下端翹曲受到約束后極限承載力有所提高，截面越大提高的越多;4)長(zhǎng)細(xì)比λ=120附近，柱下端翹曲受到約束后極限承載力提高最多。

文獻(xiàn)[8]通過(guò)簡(jiǎn)化任意截面雙向壓彎構(gòu)件彎扭屈曲一般性相關(guān)方程中的對(duì)稱項(xiàng)，得到雙軸對(duì)稱截面雙向壓彎構(gòu)件的彎扭屈曲相關(guān)方程及簡(jiǎn)化方程;在簡(jiǎn)化方程中重新引入不對(duì)稱項(xiàng)，并運(yùn)用梁柱理論和疊加法，得到任意截面雙向壓彎構(gòu)件穩(wěn)定承載力的理論簡(jiǎn)化方程和工程實(shí)用設(shè)計(jì)公式。做了兩組雙向偏心受壓試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，指出該設(shè)計(jì)公式用于工程設(shè)計(jì)是安全的。

文獻(xiàn)[9]推導(dǎo)了計(jì)算L形截面幾何特性參數(shù)的公式;以開口薄壁構(gòu)件理論為基礎(chǔ)，研究了任意開口薄壁構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算;采用勢(shì)能駐值原理，得到任意截面雙向壓彎構(gòu)件彎扭屈曲相關(guān)方程，給出了任意截面構(gòu)件在不同荷載條件下的彈性彎扭屈曲荷載的計(jì)算方法，并簡(jiǎn)要分析了L形鋼異形柱穩(wěn)定計(jì)算的思路。

在文獻(xiàn)[9]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[10]從任意截面雙向壓彎構(gòu)件彎扭屈曲相關(guān)方程出發(fā)，推導(dǎo)出了L形鋼異形柱軸心受壓承載力的理論解，并轉(zhuǎn)化為換算長(zhǎng)細(xì)比的計(jì)算公式。通過(guò)缺陷性分析，得到了L形鋼異形柱軸心受壓的實(shí)用計(jì)算公式，同時(shí)軸心受壓L形鋼異形柱的截面類別可以按b類考慮，并做了幾組試驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論。

圖3 異形柱柱截面形式

文獻(xiàn)[11]研究了如圖3所示異形截面柱的力學(xué)特性，給出了異形截面柱的軸力與彎矩的相關(guān)系數(shù)以及截面的塑性發(fā)展系數(shù)的建議值，并修正其強(qiáng)度計(jì)算公式。結(jié)論如下:1)異形柱截面基本符合平截面假定;2)在壓彎作用下，異形柱軸力與彎矩之間大致呈拋物線關(guān)系，為考慮缺陷的影響和提高安全度，建議采用線性關(guān)系;3)截面的塑性發(fā)展系數(shù)隨著腹板所占比重的增加而增大，隨著截面的高厚比增大而減小;4)建議無(wú)對(duì)稱軸十字形截面的塑性發(fā)展系數(shù)取為1.06，無(wú)對(duì)稱軸的T形截面的塑性發(fā)展系數(shù)取為1.15。

文獻(xiàn)[7]采用PKPM對(duì)采用兩層鋼異形柱框架的試點(diǎn)工程進(jìn)行了計(jì)算。L形異形鋼柱在STS中建模時(shí)，該文按等效剛度的原則用型鋼代替，并盡量使其截面面積比較接近。設(shè)計(jì)中選用矩形鋼管或方鋼管代替L形柱;采用一定數(shù)量的支撐以提高結(jié)構(gòu)整體剛度，降低側(cè)移量。另外，雙層墻體的應(yīng)用較好地解決了建筑和熱工問(wèn)題以及抗側(cè)力問(wèn)題。

文獻(xiàn)[13]以L形方鋼管組合異形柱為研究對(duì)象，推導(dǎo)了長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證。論文指出對(duì)組合異形柱采用換算長(zhǎng)細(xì)比代替原始長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行計(jì)算。

2 存在的問(wèn)題

盡管有一些對(duì)鋼異形柱的研究，也有對(duì)試點(diǎn)工程的分析，但這些研究還處在起步階段，沒(méi)有形成一套完整的理論框架，也沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究;對(duì)鋼異形柱構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究更是空白。目前國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有針對(duì)鋼異形柱結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范(規(guī)程)。已完成的寥寥無(wú)幾的試驗(yàn)主要集中在對(duì)構(gòu)件軸心受壓和偏心受壓的研究，還不能為編制相關(guān)規(guī)范(規(guī)程)提供足夠的參考數(shù)據(jù)。采用有限元方法的研究也主要集中于對(duì)構(gòu)件的數(shù)值模擬分析，而且未考慮初始缺陷(殘余應(yīng)力和初變形)或不能真實(shí)模擬邊界條件，使得數(shù)值分析結(jié)論在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。

鋼異形柱及鋼異形柱體系的受力變形性能、抗震性能與普通截面柱及其體系有著顯著的差異。上述對(duì)于鋼異形柱及鋼異形柱體系的研究成果不能直接應(yīng)用于鋼異形柱結(jié)構(gòu)體系。

3 研究展望

為加快鋼異形柱結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，可圍繞以下幾個(gè)方面開展相關(guān)研究工作:1)完善試驗(yàn)研究:針對(duì)多個(gè)不同截面尺寸的構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，用于考慮構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比、寬厚比等因素的影響，以及研究鋼異形柱在低周循環(huán)荷載下的受力性能和抗震性能;針對(duì)鋼異形柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，研究鋼異形柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能和變形性能，以及節(jié)點(diǎn)在地震作用下的破壞模式、極限承載力以及影響因素等;針對(duì)鋼異形柱框架進(jìn)行試驗(yàn)，研究在地震作用和各種活荷載作用下框架的變形性能與抗震性能等。2)在應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行模擬分析方面:在分析時(shí)合理考慮構(gòu)件的各種初始缺陷，尋找有限元模型的合理的邊界約束條件;研究可以滿足計(jì)算精度要求的簡(jiǎn)化分析模型和方法。3)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法的研究:考慮結(jié)構(gòu)空間作用的非線性抗震實(shí)用分析方法;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法;梁柱節(jié)點(diǎn)與柱腳的構(gòu)造要求及設(shè)計(jì)方法;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)等。

[1]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[3]黃用軍，堯國(guó)皇，譚 偉，等.菱形截面鋼管壓彎構(gòu)件承載力計(jì)算方法研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2007，22(10):14-16.

[4]王明貴，張莉若，譚世友.鋼異形柱彎扭相關(guān)屈曲研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2006，21(4):35-37.

[5]王明貴，王曉瑜，陳章華.鋼異形柱軸心受壓承載力實(shí)用計(jì)算研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2007，22(7):44-47.

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[8]趙 爽.鋼異形柱雙向壓彎承載力實(shí)用計(jì)算的研究[D].北京:北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

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