十字工形截面鋼柱在多層鋼框架設計中的應用綜述

周加華

（中冶東方工程技術有限公司，山東 青島 266555）

在多層鋼框架的設計中，鋼柱的形式多重多樣，有H型鋼柱、矩形鋼柱、圓管柱等，這些主要用于層高較小，柱距較小的民用工程。而在工業廠房中，因為大型設備的采用，對廠房層高，柱距有較大的要求；平臺的荷載很重，使得鋼柱兩側的彎矩均很大，鋼柱本身的軸力也很大，這些截面的鋼柱就不能很好的滿足設計要求。采用十字工形截面鋼柱時，柱的兩側剛度都較大，能很好的承受柱側鋼梁傳來的彎矩。同時，因為層高較高，當采用H型鋼時，弱軸的長細比就不能滿足；采用矩形柱或圓形柱時，對于柱側梁高不等時剛接做法很困難。而采用十字工形截面鋼柱時，兩側剛度一致，長細比容易滿足，梁柱節點也制作方便。從而滿足工業廠房大跨度、大柱距及大層高的要求。

1 工程實例

某地區鐵合金車間，總長77m，寬34m，廠房總高66m，最大柱距處柱網16m x 16m，共6層平臺，最大層間距為10.4m；基本風壓0.55kN/m2，雪壓0.35kN/m2，抗震設防烈度為8度0.2；其中1～4層平臺均鋪150mm厚混凝土板，第4層平臺上有1000噸重設備2處，第6層平臺有加料裝置重300噸2處。根據工藝要求，廠房內部不能設置柱間支撐。見圖1。

圖1 柱網布置圖

2 結果分析

中間4顆柱承受的軸力最大，取中間的柱分析。十字工形截面鋼柱截面為H1100x600x40x50＋2T530x600x40x50，H形剛柱截面為H1400x800x60x80；當截面為十字工形截面鋼柱時，其計算結果如圖2；當采用H型鋼柱時，其計算結果如圖3。結構計算采用中國建筑科學研院建筑工程軟件研究所的PKPM軟件。

圖2

圖3

從圖中可以看出，采用十字工形截面鋼柱時，鋼柱平面內、平面外應力比較均衡，材料使用合理。采用H型鋼柱時，平面外是弱軸，平面外穩定驗算應力大于1，不滿足計算要求，且H型鋼柱的外型尺寸加大，占用了額外的空間，對于本來緊張的空間，小截面柱尤為重要；而H型鋼要滿足正截面強度，柱的腹板和翼緣的厚度需要加大，這對采購及加工帶來了不必要的麻煩。如果采取加縱向系桿來減小平面外計算長度，則需要增加通長的水平系桿以及柱間支撐，不僅增大了用鋼量，還影響了廠房的空間，這也是設計不允許的。由此可見，從構件強度及長細比方面比較，十字工形截面鋼柱比H型鋼柱更具優勢。

在框架柱的側面通常連有好幾根梁，如圖4所示，為了滿足經濟合理的要求，梁的截面高度大小各異；梁柱為剛接節點，柱對應梁翼緣處均需設置橫向加勁，最多可能出現5層加勁，當采用十字工形截面鋼柱時，這些加勁由于敞露在外，焊接不受影響，加工比較方便；如采用矩形柱或圓形柱，柱對應梁翼緣處的加勁就處于柱內部，節點的制作就會產生很大的難度。由于此工業廠房豎向荷載很大，當采用矩形柱或圓形柱時，柱截面較大，缺少腹板的約束，柱本身的穩定性難以保證。因此，從節點制作以及柱本身的穩定性考慮，采用十字工形截面鋼柱比矩形柱或圓形柱更具優勢。

圖4

廠房的整體穩定性主要取決于結構的側向剛度。在水平力作用下結構的側移過大，則會使結構應重力二階效應過大導致結構整體失穩。本工程中，第4層平臺上有1000噸設備，第6層平臺上有300噸料倉，荷載作用點偏高，對結構的側移要求更嚴格。只有X向及Y向側移比較接近，才能使廠房達到最優的工作狀態。風荷載作用下X向及Y向側移量見圖5。地震荷載作用下X向及Y向側移量見圖6。

圖5

從圖中可以看出，在風荷載或地震荷載作用下，廠房在X向和Y向的位移比較接近，即廠房在X向和Y向的剛度也接近。說明采用十字工形截面鋼柱的鋼框架不僅X向和Y向都能滿足側移要求，而且X向和Y向的剛度還能達到比較接近的程度，形成了較為完美的剛度體系；即保證了整個廠房剛度的安全儲備，也恰到好處的保證了廠房的整體穩定性。

從抗震方面考慮，十字工形截面鋼柱X向及Y向均為強軸，有利于彎矩的傳遞；在設計時，很容易滿足強節點弱構件的要求；整個廠房的縱向剛度較大，能滿足抗震方面的要求。當采用H形截面鋼柱時，鋼柱存在強軸、弱軸之分，弱軸處的剛接不易滿足規范要求，因工藝設備的影響，不能設置縱向柱間支撐時，廠房的縱向剛度較小，達不到抗震方面的要求。由此可見，十字工形截面鋼柱不僅能滿足工藝提出的空間要求，還能很好的滿足抗震設防的要求。

在冶金工業廠房中，多層鋼框架鋼柱運用較多的是H形截面。H形截面在弱軸方向剛接時，需要鋼構件在工廠制作時就制作好對應的接頭；即增加了焊接的工作量，也因為節點的龐大給運輸帶來了困難。當采用十字工形截面鋼柱時，鋼柱就不存在強軸與弱軸的區分，剛接節點形式只有一種，便于構件的標準化制作；且鋼柱制作不需要甩出接頭，鋼柱的制作及運輸都更為方便。由此可見，在工業建筑中，多層鋼框架鋼柱采用十字工形截面鋼柱在構件制作、運輸、施工方面都具有很大的優勢。

圖6

從用鋼量上分析，本工程中采用十字工形截面鋼柱仍比較經濟。本工程層高10.4m，當采用H形截面鋼柱時，需要增加一道縱向水平系桿；因H形柱寬度較大，系桿采用雙片格構式，同時還需設置十字交叉支撐；雖然H形鋼柱減少了部分用鋼量，但支撐體系的用鋼量卻增加了。經計算，兩種體系的用鋼量基本持平；因此，采用十字工形截面鋼柱能滿足工藝大空間的要求，更適合在本工程中使用。

綜上所述，十字工形截面鋼柱具有較大豎向承載力，X向及Y向的長細比與剛度都比較接近，同時具有節點制作方便，連接方式簡單等特點；在荷載大、層高高的多層鋼框架結構中具有不可或缺的作用。

[1]中華人民共和國國家標準.鋼結構設計規范(GB50017-2003).[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]中華人民共和國國家標準.建筑抗震設計規范(GB50011-2010).[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]紫昶，宋曼華.鋼結構設計與計算[M].北京:機械工業出版社，2006，(1):129-163.

[4]李國強.多高層建筑鋼結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2004.

[5]童根樹，施祖元，李志飆.計算長度系數的物理意義及對各種鋼框架穩定設計方法的評論[J].建筑鋼結構進展，2004，6(4).