軸心受壓鋼柱截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐春杰，戴素娟，李婷，彭偉

（山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　青島　266590）

軸心受壓鋼柱截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐春杰，戴素娟，李婷，彭偉

（山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266590）

在軸心受壓鋼柱的設(shè)計(jì)中，選擇合適的截面形式可以提高鋼柱的承載力，節(jié)省鋼材。文章探討了在用鋼量相同的情況下，普通軋制工字鋼、H型鋼、焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）和雙肢格構(gòu)綴條鋼柱的穩(wěn)定承載力。分析結(jié)果表明，雙肢格構(gòu)綴條鋼柱的穩(wěn)定承載力優(yōu)于其它三種截面鋼柱。驗(yàn)證了鋼柱設(shè)計(jì)時(shí)截面越開展、穩(wěn)定承載力越高的結(jié)論。

軸心受壓鋼柱；普通軋制工字鋼；H型鋼；焊接工字形鋼；雙肢格構(gòu)綴條鋼柱

0　前言

在鋼結(jié)構(gòu)建筑工程中，鋼柱傳遞上部結(jié)構(gòu)體系的作用力，并起到一定的支承作用，其中軸心受壓鋼柱應(yīng)用居多。同時(shí)，軸心受壓鋼柱截面形式設(shè)計(jì)是否合理對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較大。本文討論了在截面面積相同的情況下，截面形式分別為普通軋制工字鋼、H型鋼、焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）和雙肢格構(gòu)綴條鋼柱的穩(wěn)定承載力。

1　設(shè)計(jì)說(shuō)明

鋼柱設(shè)計(jì)步驟有截面選擇、截面驗(yàn)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)。鋼柱需滿足強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和構(gòu)造要求。某軸心壓力N=400kN的鋼柱，計(jì)算長(zhǎng)度lox= 600cm，loy=300cm。鋼材采用Q=35。假定λ=95，按整體穩(wěn)定條件估算出截面面積A≥31.64m2。綜合考慮型鋼規(guī)格及雙肢格構(gòu)綴條鋼柱分肢的穩(wěn)定性，現(xiàn)討論截面面積A為42cm2、55cm2、72cm2、90cm2和120cm2時(shí)如圖（a）（b）（c）（d）截面鋼柱的穩(wěn)定承載力。

圖1（a）普通軋制工字鋼和圖1（b）軋制H型鋼鋼柱根據(jù)估算的截面面積、回轉(zhuǎn)半徑通過(guò)查附表選擇合適的型號(hào)。圖1（c）焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）鋼柱參考圖1（b）軋制H型鋼鋼柱大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，以Ib× hw×tw×（t單位mm）方式表示且應(yīng)符合鋼板規(guī)格。局部穩(wěn)定應(yīng)滿足下式：、［1］（其中，）。圖1（d）雙肢格構(gòu)綴條鋼柱選擇分肢型號(hào)的方法與圖1（a）（b）截面鋼柱相同。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)等穩(wěn)定條件確定兩分肢的間距b。由換算長(zhǎng)細(xì)比求得，再計(jì)算出，求出。根據(jù)Ad1≈0.05A可初步選擇綴條角鋼型號(hào)。綴條最小尺寸不宜小于L45×4的角鋼。

圖1　截面形式

軸心受壓鋼柱的穩(wěn)定承載力按下式計(jì)算：Nmax= φminAf，式中φmin為最小整體穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)查附表可得；f為鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2　不同截面形式鋼柱的穩(wěn)定承載力分析

2.1當(dāng)截面面積約為42cm2時(shí)四種截形式鋼柱的穩(wěn)定承載力

當(dāng)截面面積約42cm2為時(shí)，分別對(duì)圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩(wěn)定承載力分析，其計(jì)算內(nèi)容見(jiàn)表1。

四種截面形式鋼柱的設(shè)計(jì)參數(shù)和穩(wěn)定承載力A=42cm2　表1

2.2當(dāng)截面面積約為55cm2時(shí)四種截面形式鋼柱的穩(wěn)定承載力

當(dāng)截面面積約為55cm2時(shí)，分別對(duì)圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩(wěn)定承載力分析，其計(jì)算內(nèi)容見(jiàn)表2。

四種截面形式鋼柱的設(shè)計(jì)參數(shù)和穩(wěn)定承載力A=55cm2　表2

2.3當(dāng)截面面積約72cm2為時(shí)四種截面形式鋼柱的穩(wěn)定承載力

當(dāng)截面面積約72cm2為時(shí)，分別對(duì)圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩(wěn)定承載力分析，其計(jì)算內(nèi)容見(jiàn)表3。

四種截面形式鋼柱的設(shè)計(jì)參數(shù)和穩(wěn)定承載力A=72cm2　表3

2.4當(dāng)截面面積約為90cm2時(shí)四種截面形式鋼柱的穩(wěn)定承載力

當(dāng)截面面積約為90cm2時(shí)，分別對(duì)圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩(wěn)定承載力分析，其計(jì)算內(nèi)容見(jiàn)表4。

四種截面形式鋼柱的設(shè)計(jì)參數(shù)和穩(wěn)定承載力A=90cm2　表4

2.5當(dāng)截面面積約為102cm2時(shí)四種截面形式鋼柱的穩(wěn)定承載力

當(dāng)截面面積約為102cm2時(shí)，分別對(duì)圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩(wěn)定承載力分析，其計(jì)算內(nèi)容見(jiàn)表5。

四種截面形式鋼柱的設(shè)計(jì)參數(shù)和穩(wěn)定承載力A=102cm2　表5

將上述截面面積約為42cm2、55cm2、72cm2、90cm2和102cm2時(shí)鋼柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算結(jié)果以圖2示Nmax－A曲線表示。分析可知，在用鋼量相同時(shí)，穩(wěn)定承載力由高到低依次是雙肢格構(gòu)綴條鋼柱、焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）鋼柱、軋制H型鋼鋼柱和普通軋制工字鋼鋼柱。

圖2　Nmax－A曲線

3　結(jié)論

由分析結(jié)果表明，在相同的用鋼量時(shí)，雙肢格構(gòu)綴條鋼柱的穩(wěn)定承載力比其它三種截面鋼柱高。由此驗(yàn)證了鋼柱設(shè)計(jì)時(shí)截面面積越開展、穩(wěn)定承載力越高的結(jié)論。

張耀春.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：高等教育出版社，2004.

TU311.4

A

1007-7359（2016）04-0119-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.047

徐春杰（1990-），女，山東聊城人，山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院在讀碩士，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)。