淺談高強(qiáng)鋼及格構(gòu)柱的發(fā)展與研究

田勝男

沈陽建筑大學(xué) 遼寧 沈陽 110000

1 高強(qiáng)鋼的研究意義

隨著我國建筑理念、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的進(jìn)一步發(fā)展，超高層、超大跨度結(jié)構(gòu)為代表的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)迅速出現(xiàn)，為了滿足鋼結(jié)構(gòu)工程在空間、高度以及跨度等方面的需求，越來越多的高強(qiáng)度鋼材被廣泛應(yīng)用[2]。

高強(qiáng)度鋼材應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中，高強(qiáng)鋼不但可以增大建筑使用空間、減小構(gòu)件尺寸、降低結(jié)構(gòu)重量以及提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；除此之外，還能減少各種材料的用量，降低運輸和施工安裝成本，做到節(jié)能減排。我國的中央電視臺新址的主要鋼結(jié)構(gòu)部位采用了屈服強(qiáng)度為460MPa的國產(chǎn)Q460E高強(qiáng)度鋼材。位于德國柏林科技中心的索尼辦公大樓，其屋頂大部分連接桿件均使用了名義屈服強(qiáng)度分別為 460MPa、690MPa的S460、S690高強(qiáng)度鋼材[4]。為了減輕結(jié)構(gòu)自身重量，澳大利亞悉尼城市中心的 Latitude大廈，鋼結(jié)構(gòu)連接部位使用了屈服強(qiáng)度為690MPa的Bisplate80高強(qiáng)度鋼材。日本尼崎研究中心底層一樓使用了1000MPa高強(qiáng)度鋼，這也是該種強(qiáng)度鋼材在世界上的首次應(yīng)用[5]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高強(qiáng)度鋼材也在我國很多新型建筑物和現(xiàn)代化建筑體系中廣泛使用。中央電視臺新址的主要鋼結(jié)構(gòu)部位采用了屈服強(qiáng)度為460MPa的國產(chǎn)Q460E高強(qiáng)度鋼材。

2 格構(gòu)柱的研究背景

柱子在結(jié)構(gòu)體系中是主要的承重構(gòu)件。相比實腹式柱而言，格構(gòu)柱有以下幾個優(yōu)點：第一，格構(gòu)柱更容易實現(xiàn)繞兩主軸的“等穩(wěn)定”，從而提高鋼材的利用率。第二，組成格構(gòu)柱的構(gòu)件截面往往較小，所以在承受同樣的軸向壓力下，格構(gòu)柱的自身重量會大大減小。第三，雖然格構(gòu)柱的分肢截面較小，但由于其分肢間距可以設(shè)置的較大，繞虛軸彎曲屈曲的回轉(zhuǎn)半徑就會很大，因而在同等長度下，與實腹式柱相比，格構(gòu)柱的長細(xì)比更小。第四，由于具有較大的毛截面面積，格構(gòu)柱的抗彎剛度也會很大，在受橫向荷載作用時，側(cè)向變形（撓度）小。

圖1 格構(gòu)柱常見截面形式

3 鋼格構(gòu)柱的研究現(xiàn)狀

我總結(jié)歸納了近年來與鋼格構(gòu)柱有關(guān)的論文文獻(xiàn)，把它們匯總歸納整理為以下四類。

3.1 高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

2013年班慧勇[1]等人對若干個高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行了拉伸試驗，分別測量過高強(qiáng)鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線。發(fā)現(xiàn)隨著鋼材強(qiáng)度的提高，鋼材的屈服平臺逐漸縮短；

3.2 高強(qiáng)鋼實腹式構(gòu)件整體穩(wěn)定性能的研究現(xiàn)狀

國外的試驗主要集中在等截面型鋼格構(gòu)柱上，2008年degee[2]還對箱形截面軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性極限承載力進(jìn)行了測量，結(jié)論發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行規(guī)范不利于高強(qiáng)鋼發(fā)揮它的優(yōu)勢，而且可以看出現(xiàn)行規(guī)范對高強(qiáng)鋼整體穩(wěn)定設(shè)計過于保守。

國內(nèi)以往的鋼結(jié)構(gòu)工程少，研究開展的較少。近年來陸續(xù)開展了一系列實驗研究。2012年班慧勇，李國強(qiáng)[3]等人焊接工字形截面和焊接箱形截面，H形截面柱的Q460高強(qiáng)度鋼材軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗研究。其中研究班慧勇的論文及其試驗，發(fā)現(xiàn)大部分試驗結(jié)果比中國和歐洲規(guī)范中的設(shè)計值要高，但普遍低于美國規(guī)范的設(shè)計值。所以對于高強(qiáng)鋼，現(xiàn)行規(guī)范的柱子曲線有些已經(jīng)不太適用，需要進(jìn)行調(diào)整。

3.3 綴條柱穩(wěn)定性能研究現(xiàn)狀

2004年，國內(nèi)的劉書江[4]分肢為工字形截面（fy=235MPa）的壓彎綴條柱平面內(nèi)穩(wěn)定進(jìn)行了有限元模擬，給出了壓彎綴條柱平面內(nèi)穩(wěn)定的合理設(shè)計建議，提出了精度更高的綴條柱在平面內(nèi)彎曲屈曲的整體穩(wěn)定性系數(shù)計算方法。

3.4 格構(gòu)柱穩(wěn)定承載力研究現(xiàn)狀

2018年，Bronis?aw Gosowski對雙槽鋼（fy=420MPa）格構(gòu)式構(gòu)件進(jìn)行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綴板間距對格構(gòu)構(gòu)件扭轉(zhuǎn)承載力影響很大，并為格構(gòu)式構(gòu)件提供了更加合理的扭轉(zhuǎn)極限承載力計算公式。2013年，李靚[5]從承載力和用鋼量的角度出發(fā)，對大量軸心受壓Q235雙槽鋼綴板柱進(jìn)行了承載力的計算。通過對極限承載力的總結(jié)，得到了綴板柱極限承載力和綴板消耗鋼材量的公式。給出了不同型鋼與之相匹配的精確的分肢間距，在一定程度上達(dá)到了經(jīng)濟(jì)的效果。

4 研究展望

基于以上研究可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對于Q235、Q345格構(gòu)柱極限承載力的研究已比較成熟。關(guān)于高強(qiáng)鋼工字形和箱形截面等實腹式偏心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性能的研究，也取得了一些卓越成果，但尚未有學(xué)者對高強(qiáng)鋼格構(gòu)柱偏心受壓穩(wěn)定承載力進(jìn)行研究。