科技信息 。机械与电子Ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１３年第１３期 钢结构压弯构件滞回性能的研究探索 邵方方 （中国人民武装警种学院，中国北京１０２２００） 钢结构的强度高、延性好且制作简便，在大跨、高层、重载和轻型 结构中．是一种经济有效的结构形式 近年来随着我国钢产量的快速 增长，钢结构已得到普遍应用。钢结构具有良好的动力性能，但在强烈 地震作用下仍有结构局部破坏．甚至倒塌的事件发生 其破坏形式主 要有支撑破坏、柱破坏和梁柱连接节点的破坏．对工程界多年来形成 的自信产生了强烈的冲击 主要原因是人们尚未完全了解钢结构在地 震作用（循环荷载）下的破坏机理．相应的抗震设计准则和技术措施必 然不能完全防止震害。因此．对钢结构抗震性能、破坏机理、抗震设计 对策的研究是十分重要的 本文详细阐述了国内外学者对钢结构压弯 构件滞回性能的研究历程和进展．为更好地研究钢结构抗震性能提供 参考 结构进行了地震作用下的非线性分析。 胡秀英、张文元分析了变轴力对巨型钢柱滞回性能的影响．结果 表明：水平荷载和竖向荷载同时按比例增加时，滞回环的承载能力较 低，且位移曲线有下降趋势，当水平荷载反向增大而竖向压力减小时， 滞回环的承载力相对较高，且荷载位移有强化的趋势。 ２国外研究进展 Ｗａｔａｎａｂｅ等早在１９９２年就采用数值分析方法研究了箱形截面 压弯构件在常轴力、循环弯矩作用下的构件强度和延性退化方面的差 异．并利用单向受压板的骨架曲线分析了箱形截面在常轴力下的弯矩 循环特性 研究过程中采用理想弹塑性应力一应变关系曲线．没有考虑 残余应力和初始几何缺陷的影响 Ｍｉａｎｔ等人利用数值积分和试验的方法．研究了压弯构件在循环 荷载下局部屈曲对滞回性能的影响．研究结论指出局部屈曲对构件的 滞回性能影响很大．翼缘屈曲后腹板的屈曲会使承载能力急剧下降． 可根据翼缘宽厚比来估计构件的塑性变形能力和耗能能力．但并没有 给出变形能力与宽厚比的定量关系 ｓｈｅｎｇｂｉｎ Ｇａｏ和Ｔｓｕｔｏｍｕ Ｕｓａｍｉ等人主要针对偏心受压的箱形和 圆管形柱构件进行了有限元模拟分析．由有限元分析的结果得出它们 在常轴力、循环弯矩作用下的滞回曲线．讨论了钢构件在偏心压力下 的滞回性能．并与轴心受压构件的做了对比分析．得出其极限强度和 延性的规律特点。 Ｌｉｚｈｉ Ｊｉａｎｇ等人对压弯薄壁圆钢管的滞回模型进行了研究。作者 采用了非线性多弹簧模型进行理论分析．并将结果与有限元壳体模型 在二维水平地震反应下的分析结果进行了比较．结果表明非线性多弹 簧模型可以准确地模拟薄壁圆钢管的压弯滞回性能 但该文研究的圆 钢管主要用作城市高架桥下的桥墩．对高层建筑中使用的管径相对较 小的圆钢管柱并没有进行分析研究 Ｓ Ｙａｍａｚａｋｉ和Ｓ Ｍｉｎａｍｉ试验研究了箱形截面压弯构件在变轴 力、循环弯矩作用下的滞回性能．并指出轴力水平对箱形截面构件的 水平抗力影响较大。轴力较大时．水平抗力暂时下降较多。轴力较小 时．构件的水平抗力有较大幅度的上升。变轴力构件的强度介于以最 大轴力为常轴力承受循环弯矩的构件和以最小轴力为常轴力承受循 环弯矩的构件之间 同时还采用了Ｋ Ｏｈｉ和Ｋ Ｔａｋａｎａｓｈｉ提出的一维 滞回曲线模型．采用平截面假定．忽略了剪切变形和剪应力对屈服点 的影响．对箱形截面压弯构件在变轴力、循环弯矩作用下的滞回性能 进行了数值分析。但是试验构件太少．理论分析中采用的数值模型过 于粗糙．不能得出精确的结果。 １国内研究进展 李国强、沈祖炎等人考虑了Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应、应变强化效应和强 度退化效应的影响．建立空间受力钢柱的弹塑性单元刚度方程，并通 过５个箱形和４个Ｈ形钢柱在竖向恒载和双向水平反复荷载下的空 间滞回特性试验．验证了该方程能够准确描述钢柱在空间交变地震作 用下的非线性连续空间恢复力状态 陈以一和周锋、陈城等根据宽肢薄腹Ｈ形截面钢柱的特点，完善 了多弹簧非线性数值分析模型：通过试验对比验证了模型的适用性： 根据试验和数值计算结果．对这类构件的滞回性能进行了分析，考察 了翼缘宽厚比、腹板高厚比以及构件的轴压比对宽肢薄腹压弯杆件滞 回性能的影响：提出在抗震设防区的多层钢框架结构中应用宽肢薄腹 构件的可行性。 郝际平等对焊接工形梁和Ｈ形压弯构件进行了常轴力、循环弯 矩作用下的试验研究。试验结果表明．轴力大小、板件局部屈曲和加载 历史是影响构件稳定极限承载力和延性的主要因素．钢结构在循环荷 载作用下的破坏主要是两个因素起决定作用．即截面大面积进入塑性 应变范围和截面局部塑性应变增量的积累 苏明周等对箱形截面压弯构件在受常轴力、循环弯矩作用下的滞 回性能进行了系统的试验研究和理论分析．结果表明：压弯构件在轴 压比不大或板件宽厚比不大的情况下．构件的承载力退化比较缓慢． 延性性能较好．破坏时构件经历了一定的塑性变形．但轴压比很大或 板件宽厚比很大时．板件局部屈曲对构件的性能影响较大．承载力退 化很快．甚至有可能因板件局部屈曲而造成构件的突然破坏，具有很 大的危害性．实际使用时应慎重。根据数值分析和试验结果．提出了压 弯构件宽厚比限值 胡兆同等人利用双重非线性壳体有限元方法．对偏心受压钢构件 在循环荷载作用下的滞回性能进行了计算机模拟．分析了Ｈ形截面 偏心受压构件的滞回特性．得出了强烈地震作用下．构件翼缘宽厚比、 腹板高厚比、轴压比和长细比等参数对Ｈ形截面偏心受压构件滞回 性能的影响规律：根据板壳非线性有限元基本理论．提出了压弯钢构 件在循环荷载作用下弹塑性弯扭屈曲分析的有限单元法 赵静采用新的弹塑性多弹簧数值分析模型和参数设置对刚性框 架中的薄柔Ｈ形截面梁柱在循环荷载与单调荷载作用下的性能进行 了系统的计算分析。通过对计算结果的归纳整理．提出薄柔Ｈ形截面 梁、柱构件的延性特征系数的计算公式．并从能量角度对薄柔Ｈ形截 面构件的抗震设计提出建议方法 刘涛对箱形截面柱在常轴力、循环弯矩作用下的滞回性能进行了 研究。研究过程中包含了初始缺陷和残余应力的影响 系统研究了轴 力水平、构件长细比、壁板宽厚比以及截面边长比对构件滞回性能的 影响。并建议在抗震设防烈度较低和非抗震设防地区可以在严格控制 轴向荷载水平的条件下适当放宽框架柱的壁板宽厚比 陈以一等在１９９４年提出了能考虑反复变轴力作用的钢柱弹塑性 数值分析模型．并提出了单轴移动骨架式恢复力模型来表现钢柱的恢 复力特性，并用试验结果验证了数值分析模型的可靠性 此模型能较 全面地考虑钢材的力学特性．可用于高层钢框架结构或其它相当规模 的杆系结构的弹塑性地震反应时程分析 他还采用这一模型对钢框筒 ３小结 综上所述．国内外学者对钢结构压弯构件进行了大量的数值分析 和试验研究，他们一般通过考虑构件的宽厚比、轴压比、长细比等参数 因素的影响，研究构件的滞回性能变化规律、破坏模式，分析其强度、 延性及耗能特点．并提出了一些有益于实际工程设计的建议公式和意 见。目前．关于钢结构压弯构件的滞回性能研究成果中。绝大多数都是 以高层钢结构建筑中的框架柱或梁构件为研究对象的．也有个别以桥 墩柱构件为研究对象．它们通常是长细比比较小的粗短柱构件．截面 形式有工字形、Ｈ形和箱形，少数为圆管形；在这些研究中，学者们往 往假定构件承受常轴力、循环弯矩的作用。然而．对于单层网壳结构中 的圆钢管杆件，长细比相对较大．且地震力对其在沿着轴心方向及垂 直于轴心方向上的作用力均比较大．不可忽略 故在研究其抗震性能 时，不可以把轴力简化为定轴力．必须考虑变轴力的影响 所以，在以 往学者们对长细比较小的常轴力钢压弯构件滞回性能研究的基础上， 还有必要进一步研究长细比较大钢构件的滞回性能．并且考虑变轴力 的作用。 ［责任编辑：王静】 １０９
