某景觀廊道鋼結構細長柱設計研究

楊光磊，郭俊杰

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

0 引言

大長細比的鋼結構細長柱能帶來輕盈、通透的建筑造型和效果。本文借助某鋼結構景觀廊道項目，詳細介紹《鋼結構設計標準》[1]（GB 50017—2017，以下簡稱《鋼標》）關于鋼結構性能化設計的相關理論，并將其應用于該項目的細長柱設計過程中，分析比較鋼結構細長框架柱和細長搖擺柱這兩種形式的設計方法，并就如何區分這兩類細長柱的應用場景給出建議[2]。

1 鋼結構傳統抗震設計與抗震性能化設計

《建筑抗震設計規范》[3]（GB 50011—2010，以下簡稱《抗規》）關于傳統抗震設計的思路是，鋼筋混凝土結構在設防烈度地震作用下一般會進入彈塑性階段，基于延性耗能的原則，設防烈度越高，房屋高度越高，需要結構在地震過程中消耗的能量越多，延性要求就越高。因此，《抗規》通過與設防烈度和房屋高度等相關聯的抗震等級來體現對結構延性的要求。一般情況下，抗震等級高，延性要求就高。針對鋼筋混凝土結構，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”的思路進行性能化設計。

但是，對于多數鋼結構，地震作用并非結構設計的主要控制因素，其構件實際具有的抗震承載力很高，因此抗震構造可適當降低，從而降低能耗，節省造價。這是導致《鋼標》抗震設計與《抗規》慣用方法不同的關鍵所在，即《鋼標》為鋼結構設計提供了性能化設計的另一條路——“低延性-高承載力”。

《鋼標》17.1.1條文說明指出：滿足本章規定的鋼結構無需滿足現行國家標準《建筑抗震設計規范》（GB 50011）及《構筑物抗震設計規范》（GB 50191）中針對特定結構的構造要求和規定。因此，可按如下途徑之一進行鋼結構抗震設計：

途徑1：按《鋼標》進行靜力設計，按《抗規》或《構抗規》進行抗震設計；

途徑2：按《鋼標》進行靜力設計，按《鋼標》第17章進行抗震設計，尤其是一些地震作用不大、可按“低延性-高承載力”思路進行設計的結構。

2 鋼結構抗震性能化設計

鋼結構抗震性能化設計的核心思想，即通過“高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設計思路，在結構的延性和承載力之間找到一個平衡點，達到最優設計，對高延性結構可適當放寬承載力要求，對高承載力結構可適當放寬延性要求。

本文結合《鋼標》第17章，將鋼結構性能化設計的步驟歸納為如圖1所示的流程圖，下文將結合這一流程圖對景觀廊道細長框架柱方案的抗震性能化設計進行介紹。

圖1 鋼結構性能化設計流程圖

3 景觀廊道細長柱設計

3.1 項目概況

該項目景觀廊道（圖2）與展示中心相連，位于場區的較高位置，具有很好的景觀視角。方案設計時考慮到其作為通向展示中心觀景的主要通道，因此對于廊道一側的通透效果有較高需求，要求結構在視角側僅能設置非常細長的柱子。該項目設計基準期50年，安全等級為二級，抗震設防烈度為8度（0.20g），場地特征周期為0.45s，建筑場地類別Ⅱ類，抗震設防類別為丙類，設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力比超限，為此在廊道遠離懸挑根部支座一側的局部區域增設若干鋼結構細長柱（如圖3，細長柱編號分別為1—7），藏于建筑裝飾柱中，協助承擔懸挑屋蓋的荷載，解決懸挑梁應力比超限的問題。

圖3 景觀廊道YJK細長柱模型

在該項目中，結構細長柱的施工有兩種方案，一是細長框架柱，二是細長搖擺柱，下文將分別予以介紹。

3.2 細長框架柱設計

《抗規》8.3.1條規定，框架柱的長細比，一級不應大于60，二級不應大于三級不應大于100，四級不應大于

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

對于該項目，若按《抗規》傳統抗震設計，長細比限值為100；若按《鋼標》性能化設計，取性能等級為3級，延性等級為V級。分別按照兩本規范進行設計，計算結果如表1所示。

表1 景觀廊道細長框架柱計算結果匯總

從表1結果對比可以看出：按《抗規》傳統設計時，柱子外徑需做到220，此時長細比94.2已與限值100非常接近，但是應力比卻只有0.33，說明承載力有較大富余，然而由于《抗規》嚴格的構造規定讓柱子無法做得更細長；按《鋼標》性能化設計（高承載力低延性），將長細比限值提高到180，可以將柱子截面繼續減小，最小可做到D120×5，長細比為172，非常接近180的限值。

3.3 細長搖擺柱設計

搖擺柱上下兩端均為鉸接，相當于軸心受力構件，對結構側向剛度沒有貢獻，但可以承受豎向力，為懸挑鋼梁減輕負擔。搖擺柱由于不受橫向荷載的影響，其截面可根據軸壓力和長細比要求確定。搖擺柱對整體結構的受力具有較好的改善效果，同時可將連接節點做得輕巧，當受力不大時，搖擺柱有條件設計得極為纖細，因此在結構本身具有足夠大的抗側向剛度的前提下，細長搖擺柱也是該項目可選方案之一。

根據《鋼標》第7.4.6條，搖擺柱長細比限值為150，但當構件內力設計值不大于承載能力的50%，長細比限值可放寬至200。搖擺柱設計計算結果如表2所示。

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

表2 景觀廊道細長搖擺柱計算結果匯總

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”于裝飾性的極細柱列中，達到輕盈的效果。

4 結語

（1）大長細比的鋼結構細長柱可通過鋼框架柱和鋼搖擺柱兩種方案得以實現，按性能化設計的細長鋼框架柱適用于需要為結構提供一定抗側剛度的位于低烈度區且有足夠承載力富余的情形；細長鋼搖擺柱適用于結構本身有足夠的抗側剛度，僅需增加搖擺柱分擔一定豎向荷載的情形。

（2）結構性能化設計的核心思想即通過 “高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設計思路，在結構的延性和承載力之間找到一個平衡點，達到最優設計結果，對高延性結構可適當放寬承載力要求，對高承載力結構可適當放寬延性要求。對于鋼筋混凝土結構，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”的思路進行性能化設計。而對于一些中低烈度區、高度不大的鋼結構，由于具有較高的承載力，可按“低延性-高承載力”思路進行性能化設計，達到節約成本的目的。