鋼平臺(tái)鋼柱布置與截面設(shè)計(jì)研究

熊 曉 萌

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

鋼平臺(tái)鋼柱布置與截面設(shè)計(jì)研究

熊 曉 萌

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

介紹了鋼平臺(tái)鋼柱布置與鋼柱截面設(shè)計(jì)的原則，并探討了鋼柱截面選擇與抗震驗(yàn)算的方法，指出鋼柱的合理布置需建立在科學(xué)的截面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，這樣才能達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)適用的技術(shù)指標(biāo)。

鋼平臺(tái)，鋼柱，截面設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)體系

1 概述

由于鋼構(gòu)件具有重量輕、材料強(qiáng)度高、整體性能好、變形能力強(qiáng)、抗震性好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，使鋼平臺(tái)不論是在工業(yè)還是民用建筑中都占據(jù)越來(lái)越重要的地位。鋼平臺(tái)的主要荷載為豎向荷載，鋼柱又作為主要的承重構(gòu)件并與梁板共同組成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，因此鋼柱的合理布置和截面設(shè)計(jì)在鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)中尤為重要。

2 鋼柱布置原則

合理的鋼柱布置建立在合理的建筑結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，通過(guò)靈活的結(jié)構(gòu)布置，滿足鋼柱構(gòu)件的合理受力、足夠使用空間與施工便利的要求。

2.1 結(jié)構(gòu)體系布置

合理的鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該是剛?cè)嵯酀?jì)的。鋼梁與鋼柱組成的鋼平臺(tái)剛度大，即抵抗變形的能力強(qiáng)。在特別嚴(yán)重的地震作用下，短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)大的破壞力易造成鋼梁與鋼柱構(gòu)件局部破壞最終造成整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；相反鋼平臺(tái)若是均采用柔性連接，雖可以消減部分外力的作用，但可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過(guò)大甚至整體倒塌。結(jié)構(gòu)在主軸方向抗側(cè)剛度小變形大，因而在兩個(gè)主軸方向應(yīng)雙向設(shè)置鋼梁與鋼柱，使結(jié)構(gòu)形成雙向抗側(cè)力體系。鋼柱上下兩端一般設(shè)計(jì)為鉸接，對(duì)于承受較大荷載的鋼柱尤其考慮地震作用時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)成上端鉸接下端剛接，以增大鋼平臺(tái)整體剛度和穩(wěn)定性。

鋼平臺(tái)布置應(yīng)對(duì)稱(chēng)、規(guī)則，保證良好的結(jié)構(gòu)整體性。在簡(jiǎn)單均勻的結(jié)構(gòu)布置基礎(chǔ)上，也保證了簡(jiǎn)單、合理的荷載傳力途徑。明確的受力和直接的傳力途徑有利于鋼梁與鋼柱共同抵抗水平和豎向荷載，同時(shí)合理的鋼梁鋼柱布置也可減少甚至避免受扭。

2.2 鋼柱布置原則

鋼平臺(tái)的鋼柱柱網(wǎng)布置需要滿足生產(chǎn)工藝和建筑平面布置的要求，一般方形柱網(wǎng)(如圖1所示)與矩形柱網(wǎng)(如圖2～圖4所示)是鋼結(jié)構(gòu)中常用的柱網(wǎng)布置形式，其柱距采用6 m～9 m為經(jīng)濟(jì)柱距。同時(shí)一般將鋼柱布置在鋼平臺(tái)橫縱軸線的中心相交點(diǎn)上，可降低柱網(wǎng)布置對(duì)結(jié)構(gòu)使用空間的影響。其次鋼柱柱網(wǎng)布置還與鋼梁跨度相關(guān)，較大的鋼柱柱距可滿足較大空間的要求，但會(huì)增大鋼柱的截面尺寸和增強(qiáng)對(duì)鋼柱的強(qiáng)度與剛度要求，所以鋼柱的布置同時(shí)也需結(jié)合建筑空間需求和結(jié)構(gòu)造價(jià)綜合考慮。

鋼平臺(tái)的鋼柱柱網(wǎng)布置還要滿足合理的受力變形要求。鋼平臺(tái)主要承受豎向荷載，因此鋼柱的布置也應(yīng)考慮到使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下內(nèi)力分布均勻，使鋼構(gòu)件強(qiáng)度均能充分利用。

鋼平臺(tái)的鋼柱柱網(wǎng)布置還要滿足現(xiàn)場(chǎng)施工方便的要求。鋼柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單便于現(xiàn)場(chǎng)施工，鋼柱兩端常用鉸接即螺栓連接；同時(shí)盡可能選用可直接采購(gòu)的鋼材，如H型鋼及鋼管。但鋼平臺(tái)鋼柱兩端都為鉸接時(shí)需設(shè)置柱間斜撐以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。支撐常按柔性交叉設(shè)計(jì)，一般布置在柱列中部以減小溫度效應(yīng)，而且水平支撐在安裝時(shí)也可用來(lái)調(diào)節(jié)鋼梁的相對(duì)位置。

鋼柱柱網(wǎng)確定后鋼梁可按照柱網(wǎng)分布來(lái)布置。鋼平臺(tái)的主梁應(yīng)按照平臺(tái)的短跨方向布置于鋼柱間，同時(shí)根據(jù)鋼平臺(tái)鋪板的容許跨距設(shè)置次梁，次梁間距可為2 m～3 m。

3 鋼柱截面設(shè)計(jì)原則

確定鋼柱布置后，合理的鋼柱截面設(shè)計(jì)以滿足使用要求達(dá)到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)中的另一關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1 鋼柱截面設(shè)計(jì)原則

鋼柱截面需同時(shí)滿足強(qiáng)度、撓度、整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性的要求，截面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下四個(gè)原則：

1)等穩(wěn)定性。構(gòu)件在兩個(gè)主軸方向的長(zhǎng)細(xì)比或穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)盡可能相等，使兩個(gè)主軸方向上的整體承載力盡量接近，以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的效果。

2)寬肢薄壁。在滿足構(gòu)件寬厚比規(guī)定值的基礎(chǔ)上，盡可能增大截面慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑，即使面積分布盡量遠(yuǎn)離形心軸，以提高構(gòu)件的剛度和承載力。

3)便于連接。為便于與其他構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)連接，宜選擇開(kāi)敞式截面，如H型鋼與工字鋼。

4)制造省工。為節(jié)約成本保證質(zhì)量，盡量使用工廠自動(dòng)焊接制作構(gòu)件，減少工地現(xiàn)場(chǎng)焊接。為降低采購(gòu)成本，盡可能選用現(xiàn)場(chǎng)已有鋼材或可直接采購(gòu)的鋼材規(guī)格。

3.2 鋼柱截面選擇

根據(jù)上述原則和正常使用要求，鋼柱一般宜采用雙軸對(duì)稱(chēng)截面，其常用截面形式包括工字形截面與箱形截面。特殊情況下也可采用兩個(gè)槽鋼組成的組合柱。

根據(jù)工藝要求和選材范圍首先確定鋼材規(guī)格，估算軸向壓力設(shè)計(jì)值，確定兩個(gè)主軸方向上的計(jì)算長(zhǎng)度，在此基礎(chǔ)上初步選定鋼柱截面。之后對(duì)所選截面尺寸進(jìn)行強(qiáng)度、撓度、整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性的驗(yàn)算。具體步驟如下：

1)估算軸向壓力設(shè)計(jì)值N。首先確定鋼柱的受荷面積。此面積可簡(jiǎn)單取鋼柱左右兩個(gè)跨度之和的1/2進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和活荷載情況，計(jì)算出鋼柱支撐的樓板面積所承受的恒荷載、活荷載及鋼梁自重，從而估算出鋼柱的軸向壓力設(shè)計(jì)值。

在確定鋼柱受荷面積的基礎(chǔ)上，也可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步估算豎向荷載。如民用建筑多層框架結(jié)構(gòu)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值(恒荷載+活荷載)平均為14 kN/m2，工業(yè)廠房?jī)?nèi)鋼平臺(tái)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值一般為13 kN/m2～15 kN/m2左右。受荷面積乘以估算的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值可得軸向壓力設(shè)計(jì)值。

2)計(jì)算截面面積A。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比限值假定一長(zhǎng)細(xì)比λ，數(shù)值一般在50～100范圍內(nèi)。當(dāng)構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度小而軸力大時(shí)，λ一般取較小值；相反情況下λ則取較大值。

根據(jù)截面分類(lèi)及長(zhǎng)細(xì)比查得穩(wěn)定系數(shù)φ，再通過(guò)式(1)計(jì)算所需的截面面積A：

(1)

3)計(jì)算構(gòu)件截面在主軸x，y方向上所需的回轉(zhuǎn)半徑：

(2)

(3)

通過(guò)以上計(jì)算得到A,ix,iy，查型鋼表，普通型鋼截面選擇相應(yīng)型鋼規(guī)格。

焊接組合截面還需通過(guò)上述計(jì)算的回轉(zhuǎn)半徑ix與iy確定截面的高度h和寬度b，詳見(jiàn)式(4)，式(5)：

(4)

(5)

4)確定截面構(gòu)件尺寸。對(duì)于焊接組合截面，通過(guò)上述計(jì)算確定的高度、寬度與截面面積，再根據(jù)鋼材規(guī)格與構(gòu)造要求等條件，確定合理的截面尺寸。

在滿足構(gòu)造要求、型鋼規(guī)格以及局部穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，截面高度與寬度一般取10 mm的倍數(shù)，翼緣和腹板厚度取2 mm的倍數(shù)，翼緣厚度應(yīng)比腹板厚度大，但一般都不小于4 mm。

5)截面驗(yàn)算。初步確定鋼柱截面后，計(jì)算各項(xiàng)截面幾何特性，之后進(jìn)行強(qiáng)度、撓度和整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性的驗(yàn)算。經(jīng)過(guò)以下各項(xiàng)驗(yàn)算若發(fā)現(xiàn)初步選定的截面有不滿足要求或不夠恰當(dāng)之處時(shí)，應(yīng)適當(dāng)修改截面重新驗(yàn)算直至截面驗(yàn)算全部通過(guò)為止。

a.強(qiáng)度驗(yàn)算：

(6)

其中，N為軸心壓力；An為構(gòu)件凈截面面積；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

b.撓度驗(yàn)算：

(7)

其中，l0為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度；i為回轉(zhuǎn)半徑；[λ]為容許長(zhǎng)細(xì)比。

壓桿長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大易造成構(gòu)件在安裝和使用過(guò)程中變形，因此需加以約束。

c.整體穩(wěn)定性驗(yàn)算：

(8)

其中，A為構(gòu)件毛截面面積；φ為軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)，與截面類(lèi)型、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比及所用鋼材種類(lèi)有關(guān)。

d.局部穩(wěn)定性驗(yàn)算:

翼緣:

(9)

腹板:

(10)

其中，t為翼緣厚度；tw為腹板厚度；fy為鋼材屈服強(qiáng)度。

對(duì)于熱軋普通型鋼，構(gòu)件翼緣較厚無(wú)需通過(guò)計(jì)算寬厚比驗(yàn)算局部穩(wěn)定。

3.3 抗震驗(yàn)算

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度要求，即由鋼梁與鋼柱組成的鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備可抵抗地震來(lái)襲的能力。在鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中(如PKPM和STAAD.Pro)進(jìn)行鋼平臺(tái)整體計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇相應(yīng)的地震烈度進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)鋼平臺(tái)滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后鋼柱的布置和截面尺寸才算滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼柱的合理布置可以滿足自身的合理受力、足夠的建筑空間和施工方便省工等要求，從而使鋼平臺(tái)具有良好的承載能力和結(jié)構(gòu)整體性，同時(shí)鋼柱的合理布置需要建立在良好的截面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，最終才能達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)適用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

[1] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 郭瑤雪，劉春紅.框架結(jié)構(gòu)梁板柱的布置原則[J].科學(xué)之友旬刊,2011(11):83-84.

[5] 李向陽(yáng).鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探[J].山西建筑,2007,33(34):82-83.

[6] 徐湘濤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑,2010,40(3):44-46.

Research on steel column layout and cross-section design of steel platform

Xiong Xiaomeng

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840，China)

The paper introduces steel-platform steel-column layout and steel-column section design principles, explores steel-column selection and seismic check methods, and points out that: it is necessary to establish scientific section design for rationally distributing steel column, so as to achieve safety and economic technological indicators.

steel platform, steel column, section design, structural system

1009-6825(2017)03-0026-03

2016-11-19

熊曉萌(1988- )，女，碩士，助理工程師

TU318

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