單層鋼結(jié)構(gòu)框架柱長(zhǎng)細(xì)比設(shè)計(jì)探討

朱張軍　劉磊

摘要：?jiǎn)螌愉摻Y(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)。為了能保證建筑師設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式的美觀，通常會(huì)要求鋼柱盡可能做細(xì)做小，使得鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比難以滿足規(guī)范要求，由于單層銅結(jié)構(gòu)荷載不大，鋼柱強(qiáng)度一般不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常是鋼柱長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)造要求控制鋼柱截面的選擇。因此。本文對(duì)單層鋼結(jié)構(gòu)框架柱長(zhǎng)細(xì)比設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)作論述，以盡可能在滿足規(guī)范要求的前提下。達(dá)到建筑師的效果要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螌愉摻Y(jié)構(gòu)框架柱；長(zhǎng)細(xì)比；規(guī)范效果

引言

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GBS0011-2010統(tǒng)一培訓(xùn)教材》指出：鋼結(jié)構(gòu)框架柱的最大長(zhǎng)細(xì)比是為了保證結(jié)構(gòu)在計(jì)算中未考慮的作用力。我國(guó)在鋼設(shè)計(jì)規(guī)范中。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)比的控制一般是按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）的要求來(lái)計(jì)算。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，如何正確理解細(xì)長(zhǎng)比控制要求。合理進(jìn)行鋼柱設(shè)計(jì)。是值得探討的問(wèn)題。

1.單層鋼結(jié)構(gòu)框架體系

單層鋼框架結(jié)構(gòu)由鋼柱及鋼梁通過(guò)節(jié)點(diǎn)剛接連接形成。鋼柱截面一般為實(shí)腹式截面，通常為工型、方鋼管、圓鋼管等，鋼梁一般為工字鋼梁或箱型鋼梁。單層剛接框架的鋼柱通常為偏心受壓柱，受力狀態(tài)比較復(fù)雜。同時(shí)承受軸向壓力、彎矩以及剪力。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，鋼柱截面應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定和長(zhǎng)細(xì)比限制等要求。截面的各組成部件還應(yīng)滿足局部穩(wěn)定的要求。

因此。為滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。鋼柱的最大組合應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。對(duì)軸心受壓柱。軸心壓力在截面內(nèi)引起均勻的受壓正應(yīng)力不超過(guò)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：對(duì)復(fù)雜受力狀態(tài)下的框架鋼柱。要求其最大組合應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。實(shí)腹柱軸心受壓時(shí)。當(dāng)壓力增加到一定大小。柱會(huì)由直線平衡狀態(tài)突然向剛度較小的側(cè)向發(fā)生彎曲。有時(shí)也可能發(fā)生突然扭轉(zhuǎn)、或同時(shí)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)；如壓力再稍增加，則彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭變形隨即迅速加大。從而使柱失去承載能力的現(xiàn)象稱為柱整體喪失穩(wěn)定。并按其失穩(wěn)變形的情況分別稱為彎曲失穩(wěn)、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)或彎扭失穩(wěn)。上述論述的情況。即為鋼柱設(shè)計(jì)的穩(wěn)定問(wèn)題。穩(wěn)定常常會(huì)成為細(xì)長(zhǎng)鋼柱設(shè)計(jì)的控制工況。即柱在強(qiáng)度到達(dá)極限狀態(tài)前就會(huì)喪失穩(wěn)定。軸心受壓柱喪失穩(wěn)定的三種情況中。最常見(jiàn)的是彎曲失穩(wěn)。影響柱彎曲失穩(wěn)臨界應(yīng)力的主要因素是柱的長(zhǎng)細(xì)比。亦即柱的計(jì)算長(zhǎng)度與截面回轉(zhuǎn)半徑的比值。對(duì)給定的鋼材。柱愈長(zhǎng)或愈細(xì)。即長(zhǎng)細(xì)比愈大。則臨界應(yīng)力愈小。愈易彎曲失穩(wěn)。柱在兩個(gè)主軸x和v軸方向的長(zhǎng)細(xì)比不相等時(shí)。其彎曲失穩(wěn)總是順著剛度較弱、即長(zhǎng)細(xì)比較大的方向發(fā)生。

框架鋼柱暨偏心受壓柱同時(shí)承受軸心壓力和彎矩。由于彎矩的作用。柱在彎矩作用平面內(nèi)一開(kāi)始就有彎曲變形。如軸心壓力和彎矩同時(shí)逐漸增大。彎曲變形也相應(yīng)逐漸增大。但當(dāng)荷載增加到一定大小時(shí)。即使保持荷載不變甚至逐漸減小。而變形卻會(huì)繼續(xù)迅速增大。這時(shí)柱已失去承載能力。這個(gè)現(xiàn)象稱為偏心受壓柱在彎矩作用平面內(nèi)喪失穩(wěn)定。屬?gòu)澢Х€(wěn)。如果柱的側(cè)向剛度較小且側(cè)向支承較差。當(dāng)荷載增加到一定大小時(shí)。柱除在彎矩作用平面內(nèi)彎曲外。在側(cè)向也可能從其原有平面突然向外彎曲，同時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，隨即彎扭變形迅速加大。使柱失去承載能力的現(xiàn)象稱為框架鋼柱在彎矩作用平面外喪失穩(wěn)定。屬?gòu)澟なХ€(wěn)。

當(dāng)實(shí)腹柱的腹板、翼緣板或其他組成部件的厚度相對(duì)較小時(shí)?？赡茉谥鶈适дw穩(wěn)定前的較小荷載下產(chǎn)生局部屈曲。即受壓的腹板或翼緣板偏離其原來(lái)的平面位置而發(fā)生波狀翹曲的現(xiàn)象稱為柱喪失局部穩(wěn)定。柱的局部喪失穩(wěn)定后，使柱的受力狀況惡化，有可能導(dǎo)致柱較早地喪失整體穩(wěn)定。為使鋼柱各組成部件有足夠的局部穩(wěn)定性。通常按板件的應(yīng)力和支承等情況限制其寬厚比不超過(guò)一定數(shù)值。

鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比不應(yīng)超過(guò)規(guī)范的要求。因?yàn)殚L(zhǎng)細(xì)比過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較多不利影響：一是在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，可能因剛度過(guò)小而造成彎曲：二是使用期間會(huì)因自重或橫向荷載作用明顯下垂：三是長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的初彎曲。對(duì)整體穩(wěn)定帶來(lái)不利的影響。

2.設(shè)計(jì)算例

鋼柱長(zhǎng)細(xì)比控制是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）強(qiáng)制性條文。不能隨意突破。那怎樣將鋼柱盡量做細(xì)做小呢？其一是盡量減小柱子的計(jì)算長(zhǎng)度。通過(guò)鋼柱柱底固結(jié)。整體結(jié)構(gòu)盡量做成無(wú)側(cè)移框架，盡可能減小柱子的計(jì)算長(zhǎng)度；其二是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.3條注2指出：一般情況下，構(gòu)件的抗震等級(jí)應(yīng)與結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)某個(gè)部位各構(gòu)件的承載力均滿足2倍地震作用組合下的內(nèi)力要求時(shí)。7-9度的構(gòu)件抗震等級(jí)應(yīng)允許降低一度確定。相應(yīng)的條文說(shuō)明亦明確說(shuō)明：不同的抗震等級(jí)。體現(xiàn)不同的延性要求。可借鑒國(guó)外相應(yīng)的抗震規(guī)范。如歐洲Eurocode8、美國(guó)AISC，日本BCJ的高、中、低等廷陛要求的規(guī)定。而且。按抗震設(shè)計(jì)等能量的概念。當(dāng)構(gòu)件的承載力明顯提高，能滿足烈度高一度的地震作用的要求時(shí)。延性要求可適當(dāng)降低。故允許降低其抗震等級(jí)。這意味著：當(dāng)按提高一度的地震內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件抗震承載力（包括強(qiáng)度和穩(wěn)定）的驗(yàn)算通過(guò)時(shí)。則可按降低一度確定的抗震等級(jí)檢查該構(gòu)件的延性構(gòu)造要求。

3.結(jié)論

單層鋼結(jié)構(gòu)框架，由于層數(shù)少。荷載小。且鋼材承載能力較大。一般強(qiáng)度及穩(wěn)定問(wèn)題不控制柱子截面大小。構(gòu)造要求的長(zhǎng)細(xì)比要求常限制了柱子的截面大小。為滿足建筑師把柱子盡可能做小做細(xì)的要求。本文通過(guò)對(duì)單層鋼結(jié)構(gòu)框架柱長(zhǎng)細(xì)比設(shè)計(jì)分析，可以為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。當(dāng)然，鋼柱僅滿足長(zhǎng)細(xì)比要求是不夠的。更要滿足鋼柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求甚至強(qiáng)柱弱梁的要求等。