十字工形截面鋼柱在多層鋼框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用綜述

周加華

（中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266555）

在多層鋼框架的設(shè)計(jì)中，鋼柱的形式多重多樣，有H型鋼柱、矩形鋼柱、圓管柱等，這些主要用于層高較小，柱距較小的民用工程。而在工業(yè)廠房中，因?yàn)榇笮驮O(shè)備的采用，對(duì)廠房層高，柱距有較大的要求；平臺(tái)的荷載很重，使得鋼柱兩側(cè)的彎矩均很大，鋼柱本身的軸力也很大，這些截面的鋼柱就不能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。采用十字工形截面鋼柱時(shí)，柱的兩側(cè)剛度都較大，能很好的承受柱側(cè)鋼梁傳來的彎矩。同時(shí)，因?yàn)閷痈咻^高，當(dāng)采用H型鋼時(shí)，弱軸的長(zhǎng)細(xì)比就不能滿足；采用矩形柱或圓形柱時(shí)，對(duì)于柱側(cè)梁高不等時(shí)剛接做法很困難。而采用十字工形截面鋼柱時(shí)，兩側(cè)剛度一致，長(zhǎng)細(xì)比容易滿足，梁柱節(jié)點(diǎn)也制作方便。從而滿足工業(yè)廠房大跨度、大柱距及大層高的要求。

1 工程實(shí)例

某地區(qū)鐵合金車間，總長(zhǎng)77m，寬34m，廠房總高66m，最大柱距處柱網(wǎng)16m x 16m，共6層平臺(tái)，最大層間距為10.4m；基本風(fēng)壓0.55kN/m2，雪壓0.35kN/m2，抗震設(shè)防烈度為8度0.2；其中1～4層平臺(tái)均鋪150mm厚混凝土板，第4層平臺(tái)上有1000噸重設(shè)備2處，第6層平臺(tái)有加料裝置重300噸2處。根據(jù)工藝要求，廠房?jī)?nèi)部不能設(shè)置柱間支撐。見圖1。

圖1 柱網(wǎng)布置圖

2 結(jié)果分析

中間4顆柱承受的軸力最大，取中間的柱分析。十字工形截面鋼柱截面為H1100x600x40x50＋2T530x600x40x50，H形剛柱截面為H1400x800x60x80；當(dāng)截面為十字工形截面鋼柱時(shí)，其計(jì)算結(jié)果如圖2；當(dāng)采用H型鋼柱時(shí)，其計(jì)算結(jié)果如圖3。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研院建筑工程軟件研究所的PKPM軟件。

圖2

圖3

從圖中可以看出，采用十字工形截面鋼柱時(shí)，鋼柱平面內(nèi)、平面外應(yīng)力比較均衡，材料使用合理。采用H型鋼柱時(shí)，平面外是弱軸，平面外穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力大于1，不滿足計(jì)算要求，且H型鋼柱的外型尺寸加大，占用了額外的空間，對(duì)于本來緊張的空間，小截面柱尤為重要；而H型鋼要滿足正截面強(qiáng)度，柱的腹板和翼緣的厚度需要加大，這對(duì)采購及加工帶來了不必要的麻煩。如果采取加縱向系桿來減小平面外計(jì)算長(zhǎng)度，則需要增加通長(zhǎng)的水平系桿以及柱間支撐，不僅增大了用鋼量，還影響了廠房的空間，這也是設(shè)計(jì)不允許的。由此可見，從構(gòu)件強(qiáng)度及長(zhǎng)細(xì)比方面比較，十字工形截面鋼柱比H型鋼柱更具優(yōu)勢(shì)。

在框架柱的側(cè)面通常連有好幾根梁，如圖4所示，為了滿足經(jīng)濟(jì)合理的要求，梁的截面高度大小各異；梁柱為剛接節(jié)點(diǎn)，柱對(duì)應(yīng)梁翼緣處均需設(shè)置橫向加勁，最多可能出現(xiàn)5層加勁，當(dāng)采用十字工形截面鋼柱時(shí)，這些加勁由于敞露在外，焊接不受影響，加工比較方便；如采用矩形柱或圓形柱，柱對(duì)應(yīng)梁翼緣處的加勁就處于柱內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)的制作就會(huì)產(chǎn)生很大的難度。由于此工業(yè)廠房豎向荷載很大，當(dāng)采用矩形柱或圓形柱時(shí)，柱截面較大，缺少腹板的約束，柱本身的穩(wěn)定性難以保證。因此，從節(jié)點(diǎn)制作以及柱本身的穩(wěn)定性考慮，采用十字工形截面鋼柱比矩形柱或圓形柱更具優(yōu)勢(shì)。

圖4

廠房的整體穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。在水平力作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移過大，則會(huì)使結(jié)構(gòu)應(yīng)重力二階效應(yīng)過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。本工程中，第4層平臺(tái)上有1000噸設(shè)備，第6層平臺(tái)上有300噸料倉，荷載作用點(diǎn)偏高，對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)移要求更嚴(yán)格。只有X向及Y向側(cè)移比較接近，才能使廠房達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。風(fēng)荷載作用下X向及Y向側(cè)移量見圖5。地震荷載作用下X向及Y向側(cè)移量見圖6。

圖5

從圖中可以看出，在風(fēng)荷載或地震荷載作用下，廠房在X向和Y向的位移比較接近，即廠房在X向和Y向的剛度也接近。說明采用十字工形截面鋼柱的鋼框架不僅X向和Y向都能滿足側(cè)移要求，而且X向和Y向的剛度還能達(dá)到比較接近的程度，形成了較為完美的剛度體系；即保證了整個(gè)廠房剛度的安全儲(chǔ)備，也恰到好處的保證了廠房的整體穩(wěn)定性。

從抗震方面考慮，十字工形截面鋼柱X向及Y向均為強(qiáng)軸，有利于彎矩的傳遞；在設(shè)計(jì)時(shí)，很容易滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求；整個(gè)廠房的縱向剛度較大，能滿足抗震方面的要求。當(dāng)采用H形截面鋼柱時(shí)，鋼柱存在強(qiáng)軸、弱軸之分，弱軸處的剛接不易滿足規(guī)范要求，因工藝設(shè)備的影響，不能設(shè)置縱向柱間支撐時(shí)，廠房的縱向剛度較小，達(dá)不到抗震方面的要求。由此可見，十字工形截面鋼柱不僅能滿足工藝提出的空間要求，還能很好的滿足抗震設(shè)防的要求。

在冶金工業(yè)廠房中，多層鋼框架鋼柱運(yùn)用較多的是H形截面。H形截面在弱軸方向剛接時(shí)，需要鋼構(gòu)件在工廠制作時(shí)就制作好對(duì)應(yīng)的接頭；即增加了焊接的工作量，也因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的龐大給運(yùn)輸帶來了困難。當(dāng)采用十字工形截面鋼柱時(shí)，鋼柱就不存在強(qiáng)軸與弱軸的區(qū)分，剛接節(jié)點(diǎn)形式只有一種，便于構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化制作；且鋼柱制作不需要甩出接頭，鋼柱的制作及運(yùn)輸都更為方便。由此可見，在工業(yè)建筑中，多層鋼框架鋼柱采用十字工形截面鋼柱在構(gòu)件制作、運(yùn)輸、施工方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖6

從用鋼量上分析，本工程中采用十字工形截面鋼柱仍比較經(jīng)濟(jì)。本工程層高10.4m，當(dāng)采用H形截面鋼柱時(shí)，需要增加一道縱向水平系桿；因H形柱寬度較大，系桿采用雙片格構(gòu)式，同時(shí)還需設(shè)置十字交叉支撐；雖然H形鋼柱減少了部分用鋼量，但支撐體系的用鋼量卻增加了。經(jīng)計(jì)算，兩種體系的用鋼量基本持平；因此，采用十字工形截面鋼柱能滿足工藝大空間的要求，更適合在本工程中使用。

綜上所述，十字工形截面鋼柱具有較大豎向承載力，X向及Y向的長(zhǎng)細(xì)比與剛度都比較接近，同時(shí)具有節(jié)點(diǎn)制作方便，連接方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；在荷載大、層高高的多層鋼框架結(jié)構(gòu)中具有不可或缺的作用。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003).[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010).[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]紫昶，宋曼華.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006，(1):129-163.

[4]李國強(qiáng).多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[5]童根樹，施祖元，李志飆.計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的物理意義及對(duì)各種鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法的評(píng)論[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2004，6(4).