在航站楼、体育场馆等大型公共建筑中，根据建筑人流密集、空间高大和技术经济性要求等特点，一般其下部主体结构采用钢筋混凝土框架、上部大跨度屋盖采用钢结构的方式．与钢筋混凝土柱相比，钢管柱自重轻，承载力高，变形能力强，施工方便．支承大跨度屋盖的钢管柱，既可以通过抗震球形支座与屋盖结构相连，也可以通过在柱顶设置V 形斜撑与屋盖结构相连．钢管柱底部与框架结构刚接，顶部与大跨度结构通常为铰接，受力形态接近于悬臂柱[1]．

现行国家标准仅对钢框架在水平荷载作用下的层间位移角限值做出了明确规定，根据《钢结构设计标准》(GB —2017)[2]和《建筑抗震设计规范》(GB —2010)[3]，钢框架在风荷载和多遇地震作用下的弹性层间位移角不宜超过1/250，罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角不宜超过1/50．对于支承大跨度屋盖的钢管柱，其受力状态与排架柱较为接近，轴压比较小，侧向刚度通常起控制作用，如果直接套用现行国家标准对钢框架层间位移角限值的规定，可能导致设计偏于保守，导致钢的用量明显增大．此外，当大跨度屋盖的高差较大时，屋面较低部位的钢管柱常常难以满足规范变形角限值的要求．

近年来，国内外学者对钢管柱的抗震性能进行了较为深入的研究．Mamaghani 等[4]在进行圆钢柱弹塑性有限元分析时，采用修正拉格朗日方程描述几何非线性，通过双屈服面本构模拟材料非线性，计算结果与试验符合良好．Gao 等[5]通过非线性有限元分析与模型试验，对钢桥圆管柱在往复荷载作用下的承载力与延性进行了研究，考察了钢材本构关系、长细比、径厚比以及加载次数的影响．Goto 等[6]对薄壁柱在往复荷载作用下的屈曲形态与滞回性能进行了研究．Elchalakani 等[7]通过冷成型圆管往复弯曲试验，考察了长细比对构件刚度、局部屈曲和延性的影响.Goggins 等[8]通过对方、矩形截面支撑进行往复与单调轴向加载试验，考察冷弯箱形构件长细比以及截面特性对承载力、屈曲与横向变形、延性以及耗能性能的影响．王开飞等[9]采用ANSYS 有限元软件，对圆钢管压弯构件的极限承载力、延性系数与滞回特性进行数值模拟，研究了长细比、径厚比与轴压比等参数对圆钢管滞回性能的影响，并与试验结果进行了比较．苏明周等[10]对15 个箱形试件进行常轴力、循环往复弯矩作用下的试验研究，考察了轴压比和宽厚比对箱形柱滞回性能的影响．范重等[11]针对大跨度箱形构件用钢量较大的问题，提出一种带加劲肋的薄壁箱形梁，采用有限元分析软件建立了计算模型，对屈曲模态、承载力、变形性能、耗能能力和损伤情况进行了研究．

应当指出的是，由于支承大跨度屋盖钢管柱的轴压比较低，迄今针对钢管柱变形能力、尤其是低轴压比钢管柱变形性能的研究还很少．此外，结构层间位移角限值除了受到构件变形能力的影响外，还受到围护结构性能以及电梯运行要求等很多因素的影响．砌筑填充墙变形能力较差，人造板材和轻钢龙骨板材等轻质隔墙适应变形的能力较强．玻璃幕墙、石材幕墙对结构变形要求较为严格，而金属幕墙、轻质复合墙体对结构变形要求可以放松[12-13]．

本文针对支承大跨度屋盖钢管柱的受力特点，进行了3 个低轴压比钢管柱在水平往复荷载下的模型试验，考察径厚比、长细比对试件变形能力与破坏形态的影响．采用ABAQUS 非线性有限元软件[14]对钢管柱试件往复加载过程进行模拟，确认有限元分析方法的可靠性．采用有限元法对钢管柱在往复荷载作用下的承载力与变形性能进行分析，分别考察长细比、径厚比和轴压比对钢管柱屈服变形角和极限变形角的影响．在此基础上提出了钢管柱在多遇地震与风荷载及罕遇地震作用下变形角限值的设计建议．

1 钢柱模型试验

1.1 试件设计

结合大跨度屋盖设计对钢管柱变形能力的需求，在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室进行了钢管柱在往复荷载作用下的力学性能试验，考察其承载力、变形性能、滞回曲线与耗能性能，为大跨度结构设计时钢管柱变形角控制提供依据．

本次试验共有3 根钢管柱试件，钢材材质均为Q345B，圆钢管采用坡口熔透焊缝．试件的几何参数如表1 所示，轴压比约为0.2．

表1 试件基本信息Tab.1 Basic information of specimens试件编号 柱高h/mm 直径D/mm t/mm D/t 长细比λ 轴力/kN 轴压比n P-1 3 000 355 8 44.4 48.9 760 0.23 P-3 3 000 355 18 17.8 50.3 1 209 0.17 P-4 1 200 355 18 17.8 20.1 1 209 0.17

文章来源：《工程与试验》 网址: http://www.gcysyzz.cn/qikandaodu/2021/0120/1107.html