ABSTRACT

Concrete special-shaped column system has been widely used in residential buildings in China, and has been followed by specifications. However, the application specifications of steel special-shaped columns have not been comprehensively worked out yet. Based on a large amount of literature, this paper has compared the cross-section forms of the common profiled columns and summarized their respective static properties in current steel structure residential buildings. The results show that the compression performance of the special-shaped columns in the current literature is quite different due to the different cross-section characteristics. The research results of the special-shaped columns at home and abroad are comprehensively analyzed, and the problems to be further studied are put forward. This paper provides references and recommendations for the further research work and design method development of this new type of steel structure, and promotes its application in the field of steel structure engineering in China.

Keywords:Fabricated, Steel Structure Residence, Special-Shaped Column, Stability, Ultimate Bearing Capacity

装配式钢结构住宅中异形柱静力性能的研究 评述

李嘉楠^*，雷宏刚^#

太原理工大学土木工程学院，山西 太原

收稿日期：2019年2月14日；录用日期：2019年2月28日；发布日期：2019年3月7日

摘 要

混凝土异形柱体系在我国的住宅建筑中已有广泛的应用，并有规范遵循，而钢异形柱的应用规范总结尚未全面，本文就已有的大量文献资料，对比总结了目前钢结构住宅中常见异形截面柱的截面形式及各自的静力性能。结果表明，目前文献中的异形柱的受压性能因截面特性不同而有较大差别。综合分析国内外对异形柱的研究成果，提出后续具有研究价值的方向。为此类新型钢结构进一步的研究工作及设计方法制定提供参考与建议，同时促进其在我国钢结构工程领域的应用。

关键词 :装配式，钢结构住宅，异形柱，稳定，极限承载力

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1. 引言

为了促进建筑业的转型升级、推动新型城镇化发展，装配式钢结构体系逐渐成为建筑领域的主流趋势 [1] [2] [3] ，其中应用热轧H型钢和矩形方钢管的框架结构体系存在露梁露柱的问题，不利于居民的生活居住，受混凝土异形柱规范的启发，国内外学者先后研究出钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱的异形柱结构，结合钢结构和混凝土的各自优势。陈志华，赵炳 [4] [5] ，周婷 [6] ，陈宪东，王小盾 [7] ，田存 [8] 等采用有限元分析软件分别对沧州福康家园项目、汶川县映秀镇渔子溪村重建项目、拟建的格调松间南里项目、海航工人宿舍楼项目工程、山东威海卓达小区项目进行静力弹塑性分析，表明该结构具有良好的延性，各项参数均达到规范要求，可应用于实际工程，发现方钢管混凝土异形柱结构在罕遇地震作用下的表现优于方钢管混凝土单柱结构，采用钢板剪力墙体系用钢量更少且拥有更好的侧向刚度，层间位移角减少，自振周期较小，抗扭转能力更高。

在钢结构住宅建筑中，使用由L形、T形、十字形和其他形状的横截面柱和矩形或T形横截面梁组成的梁柱结构，不仅可以解决钢结构住宅建筑室内柱角凸出问题，而且具有空间利用率高、抗震性能好、施工周期短，改善资金投入等优势，在我国许多省市的住宅建筑中已有实际应用，如徐珂，程燕立 [9] 设计钢异形柱3层纯框架结构。张莉若 [10] 介绍了在设计钢结构住宅中，异形柱结构应用时如何布置和截面选择问题。电算建模时，根据刚度相等的原则将异形柱化为矩形钢管，并使用支撑来提高结构的整体刚度。王恒华 [11] 介绍了江苏某公司职工培训中心项目，分析设计中常见问题，指出异形柱作为纵向柱刚度较大，解决了纵向不利于设置支撑的问题。节点若采用螺栓连接，更有利于提高装配率。

然而，钢异形柱由于其横截面不对称，稳定与极限承载力的研究显得至关重要。受国内外学者对钢管 [12] 或钢骨混凝土异形柱 [13] [14] 研究方法和研究思路的启发，2006年以来国内学者采用理论分析、有限元模拟和试验研究等研究手段，对纯钢结构异形柱及其节点的静力性能做了大量工作，其研究成果为钢结构住宅建筑的产业化和钢异形柱相关规范的制定奠定了理论基础。

2. 钢异形柱的截面形式

迄今为止，市场中最常见的钢筋混凝土异形柱体系较为成熟 [15] [16] [17] ，相关设计规程如天津《钢筋混凝土异形柱结构技术规程》(DB 29-16-2003) [18] 等已可作为实际工程参考。但与纯钢和组合异形柱相比，钢筋混凝土异形柱抗震性能和承载力相对较差，施工环保性逊色，不符合绿色建筑理念。

开口截面钢柱应运而生，如图1所示，包括T形截面，十字形截面和L形截面。张爱林等人 [19] - [25] 采用有限元计算理论，考虑初始缺陷和材料非线性，在单向和循环加载下，研究了滞回性能、强度、变形、延性和破坏特征等抗震性能，并进行了比例模型和等应力模型的拟静力试验，与分析结果对比验证。发现在罕遇地震下该结构破坏模式为塑性破坏，可用于强震区。然而，具有这种截面的异形柱局部稳定性的计算以及梁柱节点和异形柱偏离时的整体受力分析更加复杂，需要进一步的研究。

图1. 开口截面钢异形柱

2013年，王恒华等人提出了如图2所示的闭合异形柱 [26] 及其带H型截面梁的端板连接接头。该柱由冷弯槽钢和冷弯方钢管焊接而成，利用有限元软件得到该接头的力矩–旋转曲线 [27] ，结果表明，该接头具有较高的初始刚度和极限承载力。2014年，如图3所示的闭口截面异形柱 [28] [29] [30] 受到关注，得出影响T形、L形截面柱承载力的因素和稳定承载力的计算公式，并指出等截面积的闭口截面异形柱与开口截面异形柱，前者惯性矩更高，受力性能更好。

图2. 冷弯钢管闭口截面异形柱

图3. 闭口截面异形柱截面形式

2012年，王萌，樊江 [31] 等使用箱形柱和T形柱焊接成一个新型的L形钢柱，如图4所示。通过非线性屈曲分析得出结论，与H形钢柱相比，L形钢异形柱的承载能力降低了33.33%，在实际工程中，适用于承载力要求较低的低、多层建筑和低震区建筑。新型L形钢异形柱承载能力比L形钢柱高32.86%，在实际工程中，适用于承载力要求较高的多、小高层建筑以及高震区建筑。2018年，麻建锁等 [32] 人对上述的新型L形异形柱进行了轴心受压条件下的有限元计算，证明在用钢量相同的条件下，新型钢异形柱承载能力、稳定性有很大的提高，通过外包轻质混凝土形成预制构件，可以广泛应用于装配式多层建筑中。但在钢异形柱改进截面中确定截面几何性质更加困难，其复杂的屈曲模态以及可能发生的畸变屈曲都对钢异形柱的稳定有至关重要的影响。因此，只有对改进截面钢异形柱的抗压性能进行系统研究，才可能将其推广应用。

图4. 新型L形钢异形柱截面形式

可见，国内研究人员对极具优势的钢异形柱在钢结构住宅中的应用前景十分看好，对多种新型截面形式分析主要集中在影响其稳定性与承载力的因素上，开口异形柱和方钢管混凝土组合柱的相关研究相对完备，规范或规程中记载了承载力方法，然而，对其他横截面异形柱，仅限于研究单个试件的压缩或抗震性能，不够全面和系统，不足以直接应用于工程实践。

3. 钢异形柱静力性能研究进展

3.1. 强度

在目前的《钢结构设计规范》(GB50017-2017) [33] 中，第7.1条给出了十字形柱和T形柱的设计计算公式，但是，规范没有给出L形柱的截面塑性发展系数。由于异型柱截面在弯矩作用平面内的双轴不对称性，研究其截面特征具有重要的理论和实际意义。

《轻型钢结构住宅技术规程》(JGJ209-2010) [34] 在附录中给出L形异形柱截面几何特性数据表和强度计算公式(公式1)。王明贵，储德文 [35] 介绍了表格数据的计算过程，并研究了这种带翼缘的L形截面柱的力学性能，结果发现，带翼缘的L形截面柱比不带翼缘的角形截面柱具有更好的抗扭性能。高树栋，贾凤苏 [36] 等通过对异型柱M-N相关性和塑性发展系数的分析，提出异型截面柱的轴力与弯矩的相关系数及其截面的塑性发展系数的建议值，并修正其强度计算公式(公式2)。以上公式及各符号的含义详见表1。

3.2. 整体稳定性

钢结构中受压构件的稳定问题是影响结构安全性的重要因素，钢构件往往未达到极限承载力前就发生稳定破坏，因此，有必要研究异形柱在钢异形柱应用中的整体稳定性公式。

表1. 钢异形柱强度计算公式研究成果

王明贵等 [37] [38] [39] [40] 提出由普通热轧H型钢和T型钢焊接成L形柱，利用弹性薄壁柱理论推导出任意开口截面柱弯扭屈曲方程(公式3)，得到了理想直柱轴向压缩的稳定承载力公式，推导出了L形柱换算长细比的公式(公式4)，查“规范”b类截面稳定系数φ，得到φ- $\bar{\lambda }$ 曲线(图a)。对L形截面钢柱进行了缺陷性分析，得到了L形截面柱轴向压缩的实用设计公式(公式5)，利用梁柱理论和叠加原理，得到了L形柱压弯组合实用设计的计算公式(公式6)。指出钢柱具有边缘约束构件的能力，其承载能力高于具有相同横截面面积的H型钢，抗扭性能优于等截面面积的角钢。公式及各符号的含义详见表2。并通过有限元分析和几组L形柱轴心和偏心受压承载力试验验证，结果如表3所示。

表2. 钢异形柱整体稳定计算公式研究成果

表3. L形开口截面钢异形柱计算与试验结果对比汇总

栗增欣，郭成喜 [41] 考虑了不同长细比，初始弯曲和翘曲约束的影响，采用有限元软件ANSYS计算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(公式7)，并获得φ- $\bar{\lambda }$ 曲线(图b)。

$\left(1-\phi \right)\left(1-\overline{{\lambda }^2}\right)=0.116\bar{\lambda }$ (7)

屠永清，杨明 [42] 等考虑到非弹性和初始缺陷，利用有限元法对L形截面钢异型柱轴压构件进行了特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，通过与临界力的理论值和相关文献试验值进行比较，并将分析结果与规范柱子曲线进行比较(图c)，验证了计算方法的可行性。杨理添 [43] 对改进的L形截面钢异形柱进行了屈曲分析，并与L形截面钢异形柱的承载能力进行了比较。验证了轴心受压稳定承载力计算式的正确性，做出了L形截面钢异形柱的稳定性曲线并与规范中给定的b、c类稳定性曲线进行了比较(图d)，成果如表4。

表4. L形开口截面钢异形柱φ- $\bar{\lambda }$ 曲线对比

从表4可以看出，L形截面钢柱的稳定系数比规范中给出的b类和c类曲线高，这可能是由于焊接残余应力对构件承载能力的影响没有考虑在内，因此参考现有钢结构设计规范中的b类截面有失准确，根据上述设计方法得到的异形柱抗压承载力非常保守，不利于异形柱的推广应用，还需对大量不同截面尺寸的L形柱进行理论研究以及试验验证。

4. 钢异形柱节点静力性能研究进展

节点的性能影响整体结构的刚度和承载力，关系着钢结构体系的安全应用。目前的研究主要针对如图5所示的开口截面异形柱–梁节点的承载能力和抗震性能，且多数是有限元分析，试验较少。

图5. 开口截面钢异形柱梁柱节点

文献 [44] 利用ANSYS有限元软件分析T形钢异形柱框架节点的基本力学性能，发现栓焊连接的T形异形柱节点比全焊的承载力高，随节点腹板、翼缘厚度的增大，节点抵抗弯矩的作用也增大，但是增大的幅度越来越小。节点极限转角也随翼缘厚度逐步增大，但太大反而制约了节点的转动能力，随腹板厚度变化不大。

文献 [45] 研究的L形截面钢异形柱框架节点，节点域腹板比梁先进入塑性变形，但最终破坏都发生在梁盖板附近的梁翼缘板和梁腹板上，说明该节点能够满足强节点弱构件的要求。发现随着柱子腹板厚度的增加，节点的弹性极限承载力也增加，而柱翼缘板厚度对其几乎无影响，而节点中柱子腹板厚度与翼缘厚度对节点塑性极限承载力无明显的影响，这是因为节点塑性极限承载力取决于梁承载能力。延性系数随着柱子的腹板厚度增大而急剧下降，但是七个节点的静力延性系数均大于3.0。

从上述文献回顾中可以看出，对于钢结构异形柱梁柱节点，开口截面异形柱节点的研究内容较多，但梁柱翼缘腹板对节点承载力的影响尚未给出定量的公式，部分学者提出的新型异形柱截面相关节点研究也甚少。另外，关于L形和T形柱节点的试验研究不足，难以形成实用的设计方法。

5. 结语

在装配式住宅中，不同形式异形柱静力承载力的研究方面取得了显著的成果，但局部稳定计算理论尚不成熟、梁柱节点的受力性能关注较少，没有可以直接应用于钢异形柱结构系统的完整理论，已完成的试验研究很少，相关规范(规程)的编制所需的参考数据不足，有限元方法的研究不能逼真地模拟边界条件，所得数值分析结论能否实际应用于工程尚且存疑。异形柱结构在促进可持续发展战略和住宅产业化中有很大作用，为了钢异形柱结构在建筑市场中更好地推广应用，可以从以下几个方面进行深入的研究工作：

1) 已有的钢异形柱研究是以两端简支承受均匀等端弯矩为基础的，改变约束形式或承受不均匀荷载的情况下进行双向压弯试验，验证工程实用设计公式的结果可靠性，或基于此对相关影响系数进行简化修正。其次，可以分析偏心距增大对钢异形柱的稳定性及承载能力的影响；

2) 对钢异形柱构件、节点和框架进行足尺试验，研究其应力和变形性能，采用不同的几何尺寸、构造形式研究每种截面类型异形柱结构静力性能的变化，并考虑不同加载方式所得的结果；

3) 对异形柱节点试验结果进行理论分析，得到试验无法直接测量的参数，进而推导节点设计实用公式，保证与试验和有限元结果拟合。编制包含梁柱节点与柱脚的构造要求及设计方法在内的相关设计规范，方便异形柱在今后工程中的应用；

4) 关注焊接变形和焊接残余应力对异形柱受压稳定性能的影响，进行试验研究，进一步增强已有研究成果的可靠性和准确性；

5) 采用有限元技术模拟分析时，合理考虑构件的各种初始缺陷及有限元模型的边界约束形式，形成满足计算精度要求并符合工程实际的简化分析模型和方法；开发异形柱结构设计专用软件。

基金项目

国家自然科学基金(51578357)资助。

文章引用

李嘉楠,雷宏刚. 装配式钢结构住宅中异形柱静力性能的研究评述
Review on Static Performance of Special-Shaped Columns in Assembled Steel Structure Residential Buildings[J]. 土木工程, 2019, 08(02): 262-270. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.82032

参考文献