鋼異形柱結構研究現狀與展望

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構。該結構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。對鋼異形柱結構的研究將會促進鋼結構建筑的發展，特別是鋼結構住宅建筑的產業化。

1 研究現狀

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

L.Gardner等[2]在試驗和數值模擬的基礎上提出了橢圓鋼管的長細比參數及橫截面分類限值體系。根據長細比限值體系定義了四類截面。對于截面高寬比為1的特殊情況，和歐洲規范3給出的圓鋼管截面的長細比限值是一致的。論文提出的橫截面分類體系會加快橢圓鋼管界面設計指南的發展。

黃用軍等[3]采用有限元軟件ABAQUS對菱形截面的鋼管壓彎構件荷載—變形關系曲線進行計算，得到以下結論:菱形鋼管壓彎構件極限承載力隨角度的減小而降低，幅度一般在5%以內，鋼材屈服強度和荷載偏心率對承載力降低幅度的影響規律不明顯。

文獻[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出任意開口截面柱彎扭屈曲相關方程，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凸出墻面占用室內空間，還具有邊緣約束構件的能力，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[4]的基礎上，王明貴等[5]推導出了L形截面柱換算長細比計算公式，查“規范”[1]b類截面穩定系數φ，得出L形截面柱軸心受壓實用設計公式，并做了幾組L形截面柱軸心受壓承載力試驗。結果顯示:長柱發生彎扭屈曲;短柱以彎曲屈曲為主，并伴有局部屈曲。

文獻[6]通過簡化L形截面鋼柱的彎扭屈曲相關方程，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用設計計算公式。做了幾組由普通熱軋H形鋼焊接而成的不同長度L形截面柱的偏心受壓承載力試驗，其截面尺寸如圖2所示。試驗結果表明，短柱呈現彎曲屈曲，長柱呈現彎扭屈曲。

文獻[12]采用有限元軟件ANSYS研究了兩種截面的L形柱軸心受壓時的極限荷載，總結出φ曲線的簡便計算公式，得到的曲線與“規范”[1]中的曲線進行了比較。研究表明:1)截面越大初始幾何缺陷對如圖2所示L形柱極限承載力的影響越大;2)長細比在一定范圍內，初始幾何缺陷對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)長細比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[8]通過簡化任意截面雙向壓彎構件彎扭屈曲一般性相關方程中的對稱項，得到雙軸對稱截面雙向壓彎構件的彎扭屈曲相關方程及簡化方程;在簡化方程中重新引入不對稱項，并運用梁柱理論和疊加法，得到任意截面雙向壓彎構件穩定承載力的理論簡化方程和工程實用設計公式。做了兩組雙向偏心受壓試驗與數值分析結果進行對比，指出該設計公式用于工程設計是安全的。

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

在文獻[9]基礎上，文獻[10]從任意截面雙向壓彎構件彎扭屈曲相關方程出發，推導出了L形鋼異形柱軸心受壓承載力的理論解，并轉化為換算長細比的計算公式。通過缺陷性分析，得到了L形鋼異形柱軸心受壓的實用計算公式，同時軸心受壓L形鋼異形柱的截面類別可以按b類考慮，并做了幾組試驗驗證了這一結論。

圖3 異形柱柱截面形式

文獻[11]研究了如圖3所示異形截面柱的力學特性，給出了異形截面柱的軸力與彎矩的相關系數以及截面的塑性發展系數的建議值，并修正其強度計算公式。結論如下: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系，為考慮缺陷的影響和提高安全度，建議采用線性關系;3)截面的塑性發展系數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)建議無對稱軸十字形截面的塑性發展系數取為1.06，無對稱軸的T形截面的塑性發展系數取為1.15。

文獻[7]采用PKPM對采用兩層鋼異形柱框架的試點工程進行了計算。L形異形鋼柱在STS中建模時，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。設計中選用矩形鋼管或方鋼管代替L形柱;采用一定數量的支撐以提高結構整體剛度，降低側移量。另外，雙層墻體的應用較好地解決了建筑和熱工問題以及抗側力問題。

文獻[13]以L形方鋼管組合異形柱為研究對象，推導了長細比計算公式，并通過數值計算對該公式進行驗證。論文指出對組合異形柱采用換算長細比代替原始長細比進行計算。

2 存在的問題

盡管有一些對鋼異形柱的研究，也有對試點工程的分析，但這些研究還處在起步階段，沒有形成一套完整的理論框架，也沒有進行系統的試驗研究;對鋼異形柱構件、節點以及結構體系抗震性能的研究更是空白。目前國內外都沒有針對鋼異形柱結構的技術要求和相關設計規范(規程)。已完成的寥寥無幾的試驗主要集中在對構件軸心受壓和偏心受壓的研究，還不能為編制相關規范(規程)提供足夠的參考數據。采用有限元方法的研究也主要集中于對構件的數值模擬分析，而且未考慮初始缺陷(殘余應力和初變形)或不能真實模擬邊界條件，使得數值分析結論在實際應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。上述對于鋼異形柱及鋼異形柱體系的研究成果不能直接應用于鋼異形柱結構體系。

3 研究展望

為加快鋼異形柱結構在實際工程中的應用，可圍繞以下幾個方面開展相關研究工作:1)完善試驗研究:針對多個不同截面尺寸的構件進行試驗，用于考慮構件長細比、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荷載下的受力性能和抗震性能;針對鋼異形柱節點進行試驗，研究鋼異形柱框架梁柱節點的受力性能和變形性能，以及節點在地震作用下的破壞模式、極限承載力以及影響因素等;針對鋼異形柱框架進行試驗，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)在應用有限元技術進行模擬分析方面:在分析時合理考慮構件的各種初始缺陷，尋找有限元模型的合理的邊界約束條件;研究可以滿足計算精度要求的簡化分析模型和方法。3)結構分析與設計方法的研究:考慮結構空間作用的非線性抗震實用分析方法;結構穩定性設計方法;梁柱節點與柱腳的構造要求及設計方法;結構設計軟件的開發等。

[1]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2]L.Gardner，T.M.Chan.橢圓形鋼管的截面分類[J].Steel and Composite Structures，2007，7(3):185-200.

[3]黃用軍，堯國皇，譚 偉，等.菱形截面鋼管壓彎構件承載力計算方法研究[J].鋼結構，2007，22(10):14-16.

[4]王明貴，張莉若，譚世友.鋼異形柱彎扭相關屈曲研究[J].鋼結構，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用計算研究[J].鋼結構，2007，22(7):44-47.

[6]張莉若，王明貴，趙 爽，等.鋼異形柱壓彎組合實用計算研究[J].鋼結構，2008，23(7):39-41.

[7]張莉若，王明貴.鋼異形柱在鋼結構住宅工程中的應用[A].2006年全國鋼結構學術年會論文集[C].2006.

[8]趙 爽.鋼異形柱雙向壓彎承載力實用計算的研究[D].北京:北京科技大學碩士學位論文，2008.

[9]譚世友.L形鋼異形柱承載力研究[D].徐州:中國礦業大學碩士學位論文，2006.

[10]王曉瑜.L形鋼異形柱軸心受壓承載力研究[D].北京:北京科技大學碩士學位論文，2007.

[11]高樹棟，賈鳳蘇，王 巍，等.鋼結構住宅中異型柱的力學性能研究[J].鋼結構，2007，22(9):79-84.

[12]栗增欣，郭成喜.軸心受壓L形柱的有限元非線性分析[J].鋼結構，2008，23(5):11-13.

[13]榮 彬，陳志華，李黎明.異型柱鋼結構住宅應用分析[J].鋼結構，2007，22(3):31-33.