雙肢鋼管格構柱水平抗側性能研究

黃套平　馬軍　夏翠英　沈乾

東南大學土木工程學院　江蘇南京210096

    格構柱的突出力學性能優勢使得其不僅作為承壓構件還作為主要抗側移構件被廣泛應用于工程中，當承受水平荷載時，其受力狀況既不同于格構式壓彎構件又不同于桁架結構。此時有必要對其抗側移性能加以研究，以找到理合的布置形式。本文借助有限元軟件對不同腹桿布置形式的雙肢鋼管格構柱水平抗側移能力經行分析，并分析了腹桿長細比、分肢長細比對其抗側剛度的影響。材料的應力一應變關系采用理想彈塑性，鋼管格構柱采用彈塑性三維粱單元模擬。

1、鋼管格構柱水平抗側剛度

    1.1腹桿布置形式的影響

    圖1為幾種工程中比較常見的綴條布置方式。圖la和圖1b所示為不帶橫綴條和帶橫綴條的單斜綴條體系，此處橫綴條理論上不承擔剪力，只是用以減少柱分肢在綴條平面內的計算長度。圖1c和圖ld都為雙綴條體系，其一不設橫綴條，另一則設橫綴條。圖1e為交叉支撐考慮壓桿退出工作時的計算簡圖，綴條同向布置；而圖lf為混合型布置。雙肢鋼管格構柱的平面外剛度較弱，而實際工程使用時．必須附加足夠的平面外支撐，故在以下分析中，均假設雙肢鋼管格構柱平面外支撐足夠強大。柱肢均采用圓鋼管@102X5．腹桿采用中76X3，肢距1000mm，格構柱每標準節高2000mm，格構柱高8000mm，柱腳采用固接，加載方式分無軸壓和有軸壓兩種：1)在柱頂施加水平荷載V=10kN。2)柱頂水平荷載y=10kN和豎向荷載N=20kN。

    從表l中可以看出e類和f類布置最不合理，其用鋼量最大而水平抗側移能力最低，且桿件應力比較大，其中e類布置時軸壓對抗側移剛度影響較大；c類和d類布置形式的水平抗側剛度最大但用鋼量較大，不過兩分肢和腹桿的應力比都較小。說明桿件截面還可以減少，有一定的優化空間；a類和b類布置的用鋼量最少且腹桿和分肢的應力比都較高，說明桿件性能充分發揮，布置較為合理。   

    現行“規范”(GB50017-2003)計算雙肢條柱換算長細比例，不區分條布置情況，均采用相同的表達式。而文獻（2）認為3種類型雙肢格構柱的換算長細比不同。從表l也可以看出3種布置時分肢的受力特性是不相同的。

    當腹桿布置較多時，會使格構柱的整體剛度有一定提高，對格構柱水平抗側移能力有一定貢獻，但腹桿密集．加工質量不易保證。當腹桿均勻對稱布置時，其每個節點連接處，腹桿布置較少、簡單規則，易于加工制作且格構柱承載力有保證。

    還需指出的是圖1d所示帶橫綴條的雙斜綴條體系．當構件受壓而發生壓縮變形時。斜綴條兩端節點因有橫綴條聯系而不能發生水平位移，最后導致斜綴條受壓和橫綴條受拉。對這種由于柱身壓縮而產生的斜綴條額外受力不容忽視，有時會導致斜綴條因受壓而失穩。為防止此現象，在選用圖l d所示形式的綴條布置時，斜綴條的截面宜較計算所需略予加大。

    1.2腹桿長細比的影響

    對格構式柱。當繞虛軸失穩時，因肢件之間并不是連續的板而只是每隔一定距離用綴條或綴板連系起來，柱的剪切變形較大而不能忽略。對于綴條柱．剪切變形主要由綴條的軸向變形引起，現行“規范”(ca 50017-2003)采用加大長細比來考慮剪切變形的影響，下面就對a、b、c、d四類布置形式分別經行分析，通過改變腹桿截面的方式來改變腹桿長細比，以考察腹桿長細比對雙肢鋼管格構柱的抗側剛度的影響。其中分肢截面還是采用圓鋼管中102x5．節高2000mm，柱高8000mm，而腹桿截面分別采用用以下類型：圓鋼管φ54x3、圓鋼管圓鋼管φ60x3、圓鋼管φ68x3、圓鋼管φ76x3、圓鋼管φ83x4、圓鋼管φ89x5。加載方式： V=10kN，n/=20kN。

   a類和b類曲線．c類和d類曲線近似重合，說明a類和b類及c類和d類布置時腹桿對結構抗側剛度的影響接近，頂點水平位移都隨腹桿長細比減小而減小，且前按兩種形式布置時，結構對腹桿長細比較敏感；在腹桿長細比為70-80段時曲線較陡，為滿足一定位移限制可以考慮在此區段進行調整。

    1.3分肢長細比的影響

    鋼結構設計規范明確規定了綴條柱分肢長細比k不得超過柱子最大長細比的0.7倍。特別注意的是，格構柱分肢長細比最好按現行規范規定值選取，否則，可能會造成由于分肢失穩先于構件整體失穩而破壞。那么分肢長細比對結構水平抗側剛度是否有影響，以下即展開討論。

    變化分肢長細比k有兩種方法：變化節高和改變圓管截面尺寸，本文通過變化節高來實現。節高分別取：2667mm、2000mm、1600mm、1333mm、1143mm、l000mm、889mm、800mm。其中分肢截面均改用圓鋼管φ89x5，腹桿截面均采用dPφ60x3，柱高8000mm，加載方式：柱頂水平荷載V=10kN和豎向荷載N=20kN。對a、b、c、d 4類布置形式分別經行分析，得分肢長細比X廣頂部位移△曲線。

    a類和b類曲線差異較大，而c類和 d類曲線近似重合，說明此時a類和b類布置結構特性相差較大，而c類和d類布置時結構特性較接近。其中a類布置最特殊，頂點水平位移并未隨分肢的長細比的減小而減小，而是當分肢長細比到達50之后結構的水平位移反而增大，這意味雙肢格構柱采用此類布置時，減小節高并不總能提高結構的水平抗側剛度；而b類、c類和d類布置時，隨著分肢長細比的減小結構的水平抗側剛度都有所增加．只是當分肢長細比減小到40左右時，對提高結構的水平抗側剛度的效果較不明顯，特別當分肢長細比小于30時，反而不利。

2、結語

    分析了不同腹桿布置形式、腹桿長細比及分肢長細比對雙肢鋼管格構柱水平抗側能力的影響。研究結果表明：

    1)反方向布置單斜綴條體系和交叉雙綴條體系的抗側移性能均比同向布置的單斜綴條體系要好。

    2)雙肢鋼管格構柱的水平抗側剮度隨腹桿長細比減小而增大，腹桿長細比在70—80段最為明顯。

    3)減小節高對格構柱的抗側移性能未必一直有利，無橫桿的單斜綴條體系這一特性尤為明顯．而對于有橫桿的單斜綴條體系和雙斜綴條體系，當分肢長細比≤40時，分肢長細比的加大對結構的水平抗側剛度提高很有限。

參考文獻

【l】GB 50017—2003銅結構設計規范【S】．中國計劃出版社，2003．

【2】鄧玉，孫熊剮，聶詩東，雙肢緞條格構柱換算長細比的補【M】充業建筑，2006(增刊)．

【3】夏志斌，姚諫，銅結構一原理與設計【M】．北京：中國建筑工業出版社，2004．

【4】魏明鐘，銅結構【M】．武漢：武漢理工大學出版社．2002

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)