钢材冶炼技术与加工工艺的不断进步，更高性能、更高强度的结构钢不断产生，推动构件和结构性能的不断提升。利用高强钢优越的弹性变形能力和阻尼器的耗能作用，提出了一种可实现大震后不中断使用的减震结构体系，如图1。该结构体系的特点如下：（1）作为结构关键构件的框架柱采用高强钢材（最低屈服强度Fy>700MPa），在大震下提供足够大的弹性变形，以实现结构震后不中断使用；（2）结构构件之间均采用螺栓连接，以实现每个构件可以被替换、回收甚至重复利用；（3）阻尼器为结构的主要耗能部件，并允许普通钢梁在地震下适度屈服耗能。高强钢柱由钢板通过螺栓连接组合而成，作为实现上述新型结构体系的重要一步，本文对高强钢柱在竖向轴力和水平往复荷载共同作用下力学行为进行了理论和试验研究。



图1 高强钢减震结构体系

首先，通过理论方法，对不同螺栓间距下柱子的三种局部曲屈模式进行分析，推导出了该柱在任意轴力下的极限抗弯承载力计算公式，图2给出了三种局部曲屈的变形模式和截面受力状态。其次，通过一组构件压弯往复试验，分析了轴力、螺栓间距和往复水平力作用方向对高强钢柱的弹性刚度、承载力和破坏模式的影响，并对理论分析的有效性进行了验证；最后，总结理论分析、试验结果和既有设计规范公式，提出了该柱子刚度、承载力的设计方法。主要发现有：（1）平截面假定对高强钢螺栓连接组合柱的弹性抗弯刚度的计算仍然有效；（2）高强钢柱的弹性变形能力随着轴力的增加而减小，当轴压比等于0.2时，柱子的屈服层间位移角高大0.021，可有效确保柱子在大震下的弹性变形能力；（3）尽管高强钢材料的极限应变只有普通钢的一半，所有试验构件均可达到螺栓孔削弱断面的全塑性弯矩，且在0.075rad柱转角范围内未发生断裂；（4）本文建议的承载力计算公式的基本假定与试验现象一致，并较好的预测了柱子的局部曲屈模式和极限承载力。



图2 高强钢柱的局部曲屈模式与承载力

该成果发表在国际土木工程界专业期刊Journalof Structural Engineering, ASCE上（Lin Xuchuan, OkazakiTaichiro, Hayashi Kazuhiro, and Nakashima Masayoshi (2016). "BoltedBuilt-Up Columns Constructed of High-Strength Steel under Combined Flexure andCompression." Journal of StructuralEngineering, ASCE, Publishedonline: August 24, 2016 , DOI:http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001648）