钢异形柱结构研究现状与展望

张文明 栗增欣

0 引言

异形柱框架是指采用L字形、T形、十字形等非矩形截面柱与矩形或T形截面梁组成的梁柱结构。该结构体系空间的利用率高、抗震性能较好、施工周期短，提高了资金投资的效益。对钢异形柱结构的研究将会促进钢结构建筑的发展，特别是钢结构住宅建筑的产业化。

1 研究现状

对钢异形柱的研究主要围绕截面特性和极限承载力这两个方面，采用的研究手段主要是理论分析和有限元模拟，试验研究很少。

L.Gardner等[2]在试验和数值模拟的基础上提出了椭圆钢管的长细比参数及横截面分类限值体系。根据长细比限值体系定义了四类截面。对于截面高宽比为1的特殊情况，和欧洲规范3给出的圆钢管截面的长细比限值是一致的。论文提出的横截面分类体系会加快椭圆钢管界面设计指南的发展。

黄用军等[3]采用有限元软件ABAQUS对菱形截面的钢管压弯构件荷载—变形关系曲线进行计算，得到以下结论:菱形钢管压弯构件极限承载力随角度的减小而降低，幅度一般在5%以内，钢材屈服强度和荷载偏心率对承载力降低幅度的影响规律不明显。

文献[4]提出由普通热轧H形钢和T形钢焊接组成L形柱(见图1)，采用弹性薄壁柱理论推导出任意开口截面柱弯扭屈曲相关方程，研究了L形钢柱轴向受压的承载力，得出曲线。该文指出这种钢柱不仅不会凸出墙面占用室内空间，还具有边缘约束构件的能力，其承载力比等截面面积的H形钢高，抗扭性能比等截面面积的角钢好。

图1 L1形异形柱柱截面

图2 L3形异形柱柱截面

在文献[4]的基础上，王明贵等[5]推导出了L形截面柱换算长细比计算公式，查“规范”[1]b类截面稳定系数φ，得出L形截面柱轴心受压实用设计公式，并做了几组L形截面柱轴心受压承载力试验。结果显示:长柱发生弯扭屈曲;短柱以弯曲屈曲为主，并伴有局部屈曲。

文献[6]通过简化L形截面钢柱的弯扭屈曲相关方程，采用梁柱理论和叠加原理，分析得出L形截面柱压弯组合实用设计计算公式。做了几组由普通热轧H形钢焊接而成的不同长度L形截面柱的偏心受压承载力试验，其截面尺寸如图2所示。试验结果表明，短柱呈现弯曲屈曲，长柱呈现弯扭屈曲。

文献[12]采用有限元软件ANSYS研究了两种截面的L形柱轴心受压时的极限荷载，总结出φ曲线的简便计算公式，得到的曲线与“规范”[1]中的曲线进行了比较。研究表明:1)截面越大初始几何缺陷对如图2所示L形柱极限承载力的影响越大;2)长细比在一定范围内，初始几何缺陷对极限承载力的影响最明显;3)几何缺陷从l/1000增大到l/750对极限承载力的影响不明显;柱下端翘曲受到约束后极限承载力有所提高，截面越大提高的越多;4)长细比λ=120附近，柱下端翘曲受到约束后极限承载力提高最多。

文献[8]通过简化任意截面双向压弯构件弯扭屈曲一般性相关方程中的对称项，得到双轴对称截面双向压弯构件的弯扭屈曲相关方程及简化方程;在简化方程中重新引入不对称项，并运用梁柱理论和叠加法，得到任意截面双向压弯构件稳定承载力的理论简化方程和工程实用设计公式。做了两组双向偏心受压试验与数值分析结果进行对比，指出该设计公式用于工程设计是安全的。

文献[9]推导了计算L形截面几何特性参数的公式;以开口薄壁构件理论为基础，研究了任意开口薄壁构件的强度计算;采用势能驻值原理，得到任意截面双向压弯构件弯扭屈曲相关方程，给出了任意截面构件在不同荷载条件下的弹性弯扭屈曲荷载的计算方法，并简要分析了L形钢异形柱稳定计算的思路。

在文献[9]基础上，文献[10]从任意截面双向压弯构件弯扭屈曲相关方程出发，推导出了L形钢异形柱轴心受压承载力的理论解，并转化为换算长细比的计算公式。通过缺陷性分析，得到了L形钢异形柱轴心受压的实用计算公式，同时轴心受压L形钢异形柱的截面类别可以按b类考虑，并做了几组试验验证了这一结论。

图3 异形柱柱截面形式

文献[11]研究了如图3所示异形截面柱的力学特性，给出了异形截面柱的轴力与弯矩的相关系数以及截面的塑性发展系数的建议值，并修正其强度计算公式。结论如下:1)异形柱截面基本符合平截面假定;2)在压弯作用下，异形柱轴力与弯矩之间大致呈抛物线关系，为考虑缺陷的影响和提高安全度，建议采用线性关系;3)截面的塑性发展系数随着腹板所占比重的增加而增大，随着截面的高厚比增大而减小;4)建议无对称轴十字形截面的塑性发展系数取为1.06，无对称轴的T形截面的塑性发展系数取为1.15。

文献[7]采用PKPM对采用两层钢异形柱框架的试点工程进行了计算。L形异形钢柱在STS中建模时，该文按等效刚度的原则用型钢代替，并尽量使其截面面积比较接近。设计中选用矩形钢管或方钢管代替L形柱;采用一定数量的支撑以提高结构整体刚度，降低侧移量。另外，双层墙体的应用较好地解决了建筑和热工问题以及抗侧力问题。

文献[13]以L形方钢管组合异形柱为研究对象，推导了长细比计算公式，并通过数值计算对该公式进行验证。论文指出对组合异形柱采用换算长细比代替原始长细比进行计算。

2 存在的问题

尽管有一些对钢异形柱的研究，也有对试点工程的分析，但这些研究还处在起步阶段，没有形成一套完整的理论框架，也没有进行系统的试验研究;对钢异形柱构件、节点以及结构体系抗震性能的研究更是空白。目前国内外都没有针对钢异形柱结构的技术要求和相关设计规范(规程)。已完成的寥寥无几的试验主要集中在对构件轴心受压和偏心受压的研究，还不能为编制相关规范(规程)提供足够的参考数据。采用有限元方法的研究也主要集中于对构件的数值模拟分析，而且未考虑初始缺陷(残余应力和初变形)或不能真实模拟边界条件，使得数值分析结论在实际应用中有一定的局限性。

钢异形柱及钢异形柱体系的受力变形性能、抗震性能与普通截面柱及其体系有着显著的差异。上述对于钢异形柱及钢异形柱体系的研究成果不能直接应用于钢异形柱结构体系。

3 研究展望

为加快钢异形柱结构在实际工程中的应用，可围绕以下几个方面开展相关研究工作:1)完善试验研究:针对多个不同截面尺寸的构件进行试验，用于考虑构件长细比、轴压比、宽厚比等因素的影响，以及研究钢异形柱在低周循环荷载下的受力性能和抗震性能;针对钢异形柱节点进行试验，研究钢异形柱框架梁柱节点的受力性能和变形性能，以及节点在地震作用下的破坏模式、极限承载力以及影响因素等;针对钢异形柱框架进行试验，研究在地震作用和各种活荷载作用下框架的变形性能与抗震性能等。2)在应用有限元技术进行模拟分析方面:在分析时合理考虑构件的各种初始缺陷，寻找有限元模型的合理的边界约束条件;研究可以满足计算精度要求的简化分析模型和方法。3)结构分析与设计方法的研究:考虑结构空间作用的非线性抗震实用分析方法;结构稳定性设计方法;梁柱节点与柱脚的构造要求及设计方法;结构设计软件的开发等。

[1]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2]L.Gardner，T.M.Chan.椭圆形钢管的截面分类[J].Steel and Composite Structures，2007，7(3):185-200.

[3]黄用军，尧国皇，谭 伟，等.菱形截面钢管压弯构件承载力计算方法研究[J].钢结构，2007，22(10):14-16.

[4]王明贵，张莉若，谭世友.钢异形柱弯扭相关屈曲研究[J].钢结构，2006，21(4):35-37.

[5]王明贵，王晓瑜，陈章华.钢异形柱轴心受压承载力实用计算研究[J].钢结构，2007，22(7):44-47.

[6]张莉若，王明贵，赵 爽，等.钢异形柱压弯组合实用计算研究[J].钢结构，2008，23(7):39-41.

[7]张莉若，王明贵.钢异形柱在钢结构住宅工程中的应用[A].2006年全国钢结构学术年会论文集[C].2006.

[8]赵 爽.钢异形柱双向压弯承载力实用计算的研究[D].北京:北京科技大学硕士学位论文，2008.

[9]谭世友.L形钢异形柱承载力研究[D].徐州:中国矿业大学硕士学位论文，2006.

[10]王晓瑜.L形钢异形柱轴心受压承载力研究[D].北京:北京科技大学硕士学位论文，2007.

[11]高树栋，贾凤苏，王 巍，等.钢结构住宅中异型柱的力学性能研究[J].钢结构，2007，22(9):79-84.

[12]栗增欣，郭成喜.轴心受压L形柱的有限元非线性分析[J].钢结构，2008，23(5):11-13.

[13]荣 彬，陈志华，李黎明.异型柱钢结构住宅应用分析[J].钢结构，2007，22(3):31-33.