某景觀廊道鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱設(shè)計研究

楊光磊，郭俊杰

（1浙江綠城建筑設(shè)計有限公司重慶分公司，重慶 401123；2重慶杰地建筑設(shè)計有限公司，重慶 401121）

0 引言

大長細(xì)比的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱能帶來輕盈、通透的建筑造型和效果。本文借助某鋼結(jié)構(gòu)景觀廊道項目，詳細(xì)介紹《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]（GB 50017—2017，以下簡稱《鋼標(biāo)》）關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的相關(guān)理論，并將其應(yīng)用于該項目的細(xì)長柱設(shè)計過程中，分析比較鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長框架柱和細(xì)長搖擺柱這兩種形式的設(shè)計方法，并就如何區(qū)分這兩類細(xì)長柱的應(yīng)用場景給出建議[2]。

1 鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)抗震設(shè)計與抗震性能化設(shè)計

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]（GB 50011—2010，以下簡稱《抗規(guī)》）關(guān)于傳統(tǒng)抗震設(shè)計的思路是，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下一般會進(jìn)入彈塑性階段，基于延性耗能的原則，設(shè)防烈度越高，房屋高度越高，需要結(jié)構(gòu)在地震過程中消耗的能量越多，延性要求就越高。因此，《抗規(guī)》通過與設(shè)防烈度和房屋高度等相關(guān)聯(lián)的抗震等級來體現(xiàn)對結(jié)構(gòu)延性的要求。一般情況下，抗震等級高，延性要求就高。針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般都要求具有中等或更高的延性能力，因此多是按“高延性-低承載力”的思路進(jìn)行性能化設(shè)計。

但是，對于多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)，地震作用并非結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素，其構(gòu)件實際具有的抗震承載力很高，因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低，從而降低能耗，節(jié)省造價。這是導(dǎo)致《鋼標(biāo)》抗震設(shè)計與《抗規(guī)》慣用方法不同的關(guān)鍵所在，即《鋼標(biāo)》為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了性能化設(shè)計的另一條路——“低延性-高承載力”。

《鋼標(biāo)》17.1.1條文說明指出：滿足本章規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)無需滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011）及《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50191）中針對特定結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求和規(guī)定。因此，可按如下途徑之一進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計：

途徑1：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計，按《抗規(guī)》或《構(gòu)抗規(guī)》進(jìn)行抗震設(shè)計；

途徑2：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計，按《鋼標(biāo)》第17章進(jìn)行抗震設(shè)計，尤其是一些地震作用不大、可按“低延性-高承載力”思路進(jìn)行設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

2 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計的核心思想，即通過“高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設(shè)計思路，在結(jié)構(gòu)的延性和承載力之間找到一個平衡點，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計，對高延性結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬承載力要求，對高承載力結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬延性要求。

本文結(jié)合《鋼標(biāo)》第17章，將鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的步驟歸納為如圖1所示的流程圖，下文將結(jié)合這一流程圖對景觀廊道細(xì)長框架柱方案的抗震性能化設(shè)計進(jìn)行介紹。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計流程圖

3 景觀廊道細(xì)長柱設(shè)計

3.1 項目概況

該項目景觀廊道（圖2）與展示中心相連，位于場區(qū)的較高位置，具有很好的景觀視角。方案設(shè)計時考慮到其作為通向展示中心觀景的主要通道，因此對于廊道一側(cè)的通透效果有較高需求，要求結(jié)構(gòu)在視角側(cè)僅能設(shè)置非常細(xì)長的柱子。該項目設(shè)計基準(zhǔn)期50年，安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g），場地特征周期為0.45s，建筑場地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計地震分組為第三組，抗震等級為三級，層高7m。

圖2 景觀廊道效果圖

使用YJK2.0.1對其進(jìn)行建模計算，由于屋面懸挑跨度過大，在端部無柱的情況下懸挑鋼梁根部應(yīng)力比超限，為此在廊道遠(yuǎn)離懸挑根部支座一側(cè)的局部區(qū)域增設(shè)若干鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱（如圖3，細(xì)長柱編號分別為1—7），藏于建筑裝飾柱中，協(xié)助承擔(dān)懸挑屋蓋的荷載，解決懸挑梁應(yīng)力比超限的問題。

圖3 景觀廊道YJK細(xì)長柱模型

在該項目中，結(jié)構(gòu)細(xì)長柱的施工有兩種方案，一是細(xì)長框架柱，二是細(xì)長搖擺柱，下文將分別予以介紹。

3.2 細(xì)長框架柱設(shè)計

《抗規(guī)》8.3.1條規(guī)定，框架柱的長細(xì)比，一級不應(yīng)大于60，二級不應(yīng)大于三級不應(yīng)大于100，四級不應(yīng)大于

《鋼標(biāo)》17.3.5也給出了框架柱長細(xì)比的規(guī)定，長細(xì)比與“軸壓比”（Np/(Afy）和延性等級相關(guān)，相較而言，《鋼標(biāo)》的規(guī)定更加全面、合理。當(dāng)延性等級從I級至V級，即延性需求逐漸變小時，長細(xì)比限值增大，與《抗規(guī)》比則更放松；但當(dāng)柱“軸壓比”增大時，長細(xì)比限值會折減，此時可能比《抗規(guī)》更嚴(yán)格。如何在這幾個限值中尋求最優(yōu)解成為該項目框架柱設(shè)計的關(guān)鍵。

對于該項目，若按《抗規(guī)》傳統(tǒng)抗震設(shè)計，長細(xì)比限值為100；若按《鋼標(biāo)》性能化設(shè)計，取性能等級為3級，延性等級為V級。分別按照兩本規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，計算結(jié)果如表1所示。

表1 景觀廊道細(xì)長框架柱計算結(jié)果匯總

從表1結(jié)果對比可以看出：按《抗規(guī)》傳統(tǒng)設(shè)計時，柱子外徑需做到220，此時長細(xì)比94.2已與限值100非常接近，但是應(yīng)力比卻只有0.33，說明承載力有較大富余，然而由于《抗規(guī)》嚴(yán)格的構(gòu)造規(guī)定讓柱子無法做得更細(xì)長；按《鋼標(biāo)》性能化設(shè)計（高承載力低延性），將長細(xì)比限值提高到180，可以將柱子截面繼續(xù)減小，最小可做到D120×5，長細(xì)比為172，非常接近180的限值。

3.3 細(xì)長搖擺柱設(shè)計

搖擺柱上下兩端均為鉸接，相當(dāng)于軸心受力構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沒有貢獻(xiàn)，但可以承受豎向力，為懸挑鋼梁減輕負(fù)擔(dān)。搖擺柱由于不受橫向荷載的影響，其截面可根據(jù)軸壓力和長細(xì)比要求確定。搖擺柱對整體結(jié)構(gòu)的受力具有較好的改善效果，同時可將連接節(jié)點做得輕巧，當(dāng)受力不大時，搖擺柱有條件設(shè)計得極為纖細(xì)，因此在結(jié)構(gòu)本身具有足夠大的抗側(cè)向剛度的前提下，細(xì)長搖擺柱也是該項目可選方案之一。

根據(jù)《鋼標(biāo)》第7.4.6條，搖擺柱長細(xì)比限值為150，但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計值不大于承載能力的50%，長細(xì)比限值可放寬至200。搖擺柱設(shè)計計算結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果可以看出，搖擺柱最小可做到直徑120mm（圓管），為保證應(yīng)力比低于0.5，可取長細(xì)比限值為200，需將壁厚做到20mm。當(dāng)截面直徑做到150mm及以上時，壁厚基本可以按構(gòu)造的最小值考慮。

表2 景觀廊道細(xì)長搖擺柱計算結(jié)果匯總

綜合建筑效果及采購難度，搖擺柱最終截面選擇為D150×4，能很好地“藏匿”于裝飾性的極細(xì)柱列中，達(dá)到輕盈的效果。

4 結(jié)語

（1）大長細(xì)比的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱可通過鋼框架柱和鋼搖擺柱兩種方案得以實現(xiàn)，按性能化設(shè)計的細(xì)長鋼框架柱適用于需要為結(jié)構(gòu)提供一定抗側(cè)剛度的位于低烈度區(qū)且有足夠承載力富余的情形；細(xì)長鋼搖擺柱適用于結(jié)構(gòu)本身有足夠的抗側(cè)剛度，僅需增加搖擺柱分擔(dān)一定豎向荷載的情形。

（2）結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的核心思想即通過 “高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設(shè)計思路，在結(jié)構(gòu)的延性和承載力之間找到一個平衡點，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，對高延性結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬承載力要求，對高承載力結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬延性要求。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般要求具有中等或更高的延性能力，因此多是按“高延性-低承載力”的思路進(jìn)行性能化設(shè)計。而對于一些中低烈度區(qū)、高度不大的鋼結(jié)構(gòu)，由于具有較高的承載力，可按“低延性-高承載力”思路進(jìn)行性能化設(shè)計，達(dá)到節(jié)約成本的目的。