鋼框架結構構件選型比較

刁鵬展

(太原市建筑設計研究院，山西太原 030002)

0 引言

梁板柱及基礎構成鋼框架結構，目前鋼框架梁一般采用焊接H型鋼梁，鋼次梁采用國標窄翼緣H型鋼梁，也可采用上翼緣小下翼緣大組合鋼梁，基礎同一般鋼筋混凝土框架結構沒有大的區別，這兩方面選型大家沒有過多爭議，本文主要對鋼柱截面形式和樓板形式的選型做以下比較。

1 樓板

目前鋼框架樓板體系主要有:

1)現澆混凝土樓板;

2)SP預應力混凝土空心樓板;

3)壓型鋼板樓板;

4)鋼筋桁架樓承板。

現澆樓板，缺點是不能適應主體鋼結構快速施工的要求，現場需采用施工速度較慢的木模或鋼模支模施工，不能實現多個樓層分層澆筑混凝土板的流水施工法，影響施工進度，體現不出鋼結構在安裝速度方面的優越性，優點是單從樓板費用相比較低，實際工程中較少或者局部使用;SP預應力混凝土空心板跨度大、承載力高，施工速度快，可以減少鋼次梁，節省用鋼量，但對原料質量和過程控制要求高，加之成型工藝特殊(采用干硬性混凝土，密實度較難控制)，產品合格率低，由于板跨大，運輸和吊裝的難度大，如果不加注意，很容易造成SP板意外損壞，目前較多用于工業建筑中，民用建筑比較少見;本文重點比較下壓型鋼板樓板和鋼筋桁架樓板。

壓型鋼板樓板目前主要采用非組合樓板，主要原因:

1)國內生產的板型多數是無壓痕及波槽，不能傳遞疊合面之間的縱向剪力，樓板抗剪連接件按組合樓板計算也不易滿足;

2)組合樓板中壓型鋼板，需采用防火涂料并增加相應費用，從造價上來講，沒有多大優勢。鋼筋桁架樓板是國內鋼構公司從德國引進的一種模板加樓板體系，就是采用0.5 mm厚的鍍鋅鋼板作為底模，上面預先制作好單向鋼筋籠，然后直接作為樓板安裝在鋼梁上。

這兩種樓板與普通混凝土樓板單比簡單的價格，肯定沒有優勢，但比安裝速度，比工廠化生產，比現代化設備焊接及現場手工捆扎鋼筋，這樣就占絕對的優勢，省卻了大量的支模工作，不僅節省了大量勞力，還減少了現場工作量，改善了工人的施工條件，現在的甲方對進度較為重視，在最短的時間內回收投資，減少風險，因此是目前比較常用的鋼結構樓板。

兩種樓板孰優孰劣，關于是采用鋼筋桁架板還是壓型鋼板樓板，從結構可靠度上講沒有區別，無論是承載力還是耐火，但是概念上鋼筋桁架板要比壓型鋼板好，特別是鋼筋桁架組合樓板可改造性和可修復性要比壓型鋼板組合樓板好。火災條件下如果沒有達到耐火極限，火就被撲滅，那么鋼筋桁架樓板可修復的概率就高于壓型鋼板樓板，這與是否在壓型鋼板中配筋無關，即便是在壓型鋼板底部配筋，由于壓型鋼板破壞，雖然承載力可以修復，但外觀也是難以修復的，而鋼筋桁架板底板是平的，對層高和天花板處理均有利;從結構計算角度來講，普通的壓型鋼板樓板由于垂直于板肋方向鋼筋無法布置，只能按單向板計算，而鋼筋桁架底模的鋼板幾乎沒有肋，通過增加一個方向的配筋就可以形成雙向板，可以減小板厚，增大跨度，受力模式更加合理，但樓板型號不可能選得太多，不如壓型鋼板靈活，配筋要考慮模數，配筋量大，稍有浪費;鋼筋桁架板因無相關的國家、行業規范，在設計過程中設計師不好操作，有顧慮;普通的壓型板有較為成熟的規范，能普遍的被設計單位接受;從施工安裝角度來講，由于鋼筋桁架板每塊板的重量相對較大，人工鋪板較困難，需要塔機配合。由于鋼筋桁架骨架的存在，做到施工時不設臨時支撐的跨度更大一些，次梁少，現場鋼筋綁扎量少，鋼筋排列均勻，上下層鋼筋間距及鋼筋保護層厚度有可靠保證，但現場鋼筋綁扎相對壓型鋼板樓板比較困難。在雨季施工時，桁架模板鋼筋會有銹蝕，鋼筋除銹工作量不小。還有鋼筋桁架板供應廠家比較少，目前主要集中在長江三角洲和京津唐地區，運輸比較麻煩，因運輸距離造成的成本不能忽視，而壓型鋼板由于非常輕便，堆放、運輸及安裝都非常方便，這方面優勢相對比較明顯。

2 鋼柱

目前純鋼框架采用的鋼柱主要有圓鋼管柱，H形鋼柱，十字形柱，箱形柱。圓鋼管柱由于節點麻煩，同建筑平立面不好配合，實際工程中只是在建筑中局部使用;H型鋼柱由于弱軸方向的力學性能相對于強軸有較大差距，不太適用于框架的受力。一般在弱軸方向設置支撐體系，做成“框架—支撐結構”(這種結構體系不是本文討論的范疇)。

H型鋼柱弱軸長細比、腹板的寬厚比、結構整體弱軸方向的剛度及節點域在結構計算中都不容易滿足，而且弱軸與鋼梁連接節點也比較麻煩，因此在跨度較大，層高較大，層數較高的高烈度區框架結構體系中很少使用。

十字形柱沒有弱軸，破壞模態屬于局部屈曲的塑性破壞，且塑性變形主要發生在彎矩作用平面的翼緣上。其受彎承載力、延性及抗震承載力較好，但與圓管柱、箱形柱比，其抗扭性能較差，特別是在高軸壓比下變形很快，一般與鋼筋混凝土組合形成型鋼混凝土組合柱受力性能更好。考慮到本身截面特性使得腹板不易出現塑性鉸，鋼規和抗規只對工字形和箱形柱的腹板高厚比有要求，對十字柱沒有要求，腹板板厚可以做的很薄，節省材料。十字柱是屬于異型柱范圍，具體工藝要根據實際的設計來確定，一般的情況下，首先可以將十字柱拆成一個工字和兩個T形分別加工，其工藝要嚴格按這兩種構件的工藝標準進行，然后加隔板進行組焊，十字柱的難點就是在最后的這一道工序，其工藝要視具體設計尺寸和要求來定，對隔板要求進行銑加工或使用數控下料以保證90°角。由于內側有兩道腹板，截面特性造就了十字形柱受彎承載力沒有充分發揮，外側的翼緣也不能做的太寬，一則因為是在烈度區寬厚比的要求，翼緣過寬板厚就得加厚，材料比較浪費，二則是因為翼緣過寬，柱子中間的加勁板較難焊接施工;由于翼緣較窄，梁柱中心線需對齊，對于一些建筑功能布局比較緊張的房間(如樓電梯間，管井，外墻立面)難滿足，其他相關建筑設備專業不好配合，對建筑限制較多。另外十字形柱由于截面內部板材較多且不封閉，導致不易涂刷防火涂料，涂刷面積較大，防火費用較高。

箱形柱由于兩個方向的受力性能基本一致，更符合框架縱橫向均勻受力的特性，尤其是對于雙向地震作用的鋼框架結構，這種特性就更為明顯。箱形柱的截面寬度要比鋼梁翼緣寬度大很多，在跨度不是特別大的結構中一般比較容易實現強柱弱梁，通過在節點處加寬梁翼緣，可以很容易實現強節點弱構件的要求，目前國內由于技術等因素，多采用手工組對，而箱形柱的工序較復雜，所用到的焊接方法較多，焊接越多，變形也就越大，造成的累積誤差(變形和裝配精度)也就大，施工不好安裝。箱形柱內隔板需采用電渣焊工藝，按目前國內的水平，一般要求板厚要做到16 mm以上，過小的板厚容易燒穿，板件變形大，也就意味著箱形柱截面不能過小，小截面的箱形柱很不合算。箱形柱的制作成本相對比較高，每噸加工費用要比H型鋼高出1 000元～2 000元，但箱形截面柱便于涂刷防火涂料和柱子的外包裝修。

3 結語

由于鋼筋桁架板和箱形柱供應廠家少，對于面積不大，功能要求不很苛刻的建筑，宜優先采用壓型鋼板樓板和工字形柱或者十字形柱。對于規模較大，層高要求嚴，建筑布局緊張，功能較復雜的建筑可以考慮采用鋼筋桁架板和箱形柱，畢竟鋼筋桁架板，箱形柱從受力模型上更合理，與其他專業更好配合，在當前甲方看重方案的國情下更容易實現建筑師的意圖。具體到實際工程，設計師還應從造價(包括材料，人工費用)、受力特點、建筑功能規模、耐久性、防火費用及工期等各個方面做綜合比較。

［1］《鋼結構設計手冊》編委會.鋼結構設計手冊［M］.第3版.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［2］陳富生，邱國樺，范 重.高層建筑鋼結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［3］鋼結構論壇(www.okok.org).