單層鋼結構框架柱長細比設計探討

朱張軍　劉磊

摘要：單層鋼結構框架的設計在工程設計中比較常見。為了能保證建筑師設計結構形式的美觀，通常會要求鋼柱盡可能做細做小，使得鋼柱的長細比難以滿足規(guī)范要求，由于單層銅結構荷載不大，鋼柱強度一般不控制結構設計，通常是鋼柱長細比構造要求控制鋼柱截面的選擇。因此。本文對單層鋼結構框架柱長細比設計要求簡作論述，以盡可能在滿足規(guī)范要求的前提下。達到建筑師的效果要求。

關鍵詞：單層鋼結構框架柱；長細比；規(guī)范效果

引言

《建筑抗震設計規(guī)范GBS0011-2010統(tǒng)一培訓教材》指出：鋼結構框架柱的最大長細比是為了保證結構在計算中未考慮的作用力。我國在鋼設計規(guī)范中。對于細長比的控制一般是按照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）的要求來計算。實際工程設計中，如何正確理解細長比控制要求。合理進行鋼柱設計。是值得探討的問題。

1.單層鋼結構框架體系

單層鋼框架結構由鋼柱及鋼梁通過節(jié)點剛接連接形成。鋼柱截面一般為實腹式截面，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)比較復雜。同時承受軸向壓力、彎矩以及剪力。設計計算時，鋼柱截面應滿足強度、剛度、穩(wěn)定和長細比限制等要求。截面的各組成部件還應滿足局部穩(wěn)定的要求。

因此。為滿足強度設計要求。鋼柱的最大組合應力不應超過鋼材的設計強度。對軸心受壓柱。軸心壓力在截面內(nèi)引起均勻的受壓正應力不超過鋼材的強度設計值：對復雜受力狀態(tài)下的框架鋼柱。要求其最大組合應力不應超過鋼材的設計強度。實腹柱軸心受壓時。當壓力增加到一定大小。柱會由直線平衡狀態(tài)突然向剛度較小的側向發(fā)生彎曲。有時也可能發(fā)生突然扭轉、或同時發(fā)生彎曲和扭轉；如壓力再稍增加，則彎曲、扭轉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)、扭轉失穩(wěn)或彎扭失穩(wěn)。上述論述的情況。即為鋼柱設計的穩(wěn)定問題。穩(wěn)定常常會成為細長鋼柱設計的控制工況。即柱在強度到達極限狀態(tài)前就會喪失穩(wěn)定。軸心受壓柱喪失穩(wěn)定的三種情況中。最常見的是彎曲失穩(wěn)。影響柱彎曲失穩(wěn)臨界應力的主要因素是柱的長細比。亦即柱的計算長度與截面回轉半徑的比值。對給定的鋼材。柱愈長或愈細。即長細比愈大。則臨界應力愈小。愈易彎曲失穩(wěn)。柱在兩個主軸x和v軸方向的長細比不相等時。其彎曲失穩(wěn)總是順著剛度較弱、即長細比較大的方向發(fā)生。

框架鋼柱暨偏心受壓柱同時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)一開始就有彎曲變形。如軸心壓力和彎矩同時逐漸增大。彎曲變形也相應逐漸增大。但當荷載增加到一定大小時。即使保持荷載不變甚至逐漸減小。而變形卻會繼續(xù)迅速增大。這時柱已失去承載能力。這個現(xiàn)象稱為偏心受壓柱在彎矩作用平面內(nèi)喪失穩(wěn)定。屬彎曲失穩(wěn)。如果柱的側向剛度較小且側向支承較差。當荷載增加到一定大小時。柱除在彎矩作用平面內(nèi)彎曲外。在側向也可能從其原有平面突然向外彎曲，同時發(fā)生扭轉，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。屬彎扭失穩(wěn)。

當實腹柱的腹板、翼緣板或其他組成部件的厚度相對較小時?？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。通常按板件的應力和支承等情況限制其寬厚比不超過一定數(shù)值。

鋼柱的長細比不應超過規(guī)范的要求。因為長細比過大會產(chǎn)生較多不利影響：一是在運輸和安裝過程中，可能因剛度過小而造成彎曲：二是使用期間會因自重或橫向荷載作用明顯下垂：三是長細比過大會產(chǎn)生過大的初彎曲。對整體穩(wěn)定帶來不利的影響。

2.設計算例

鋼柱長細比控制是《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）強制性條文。不能隨意突破。那怎樣將鋼柱盡量做細做小呢？其一是盡量減小柱子的計算長度。通過鋼柱柱底固結。整體結構盡量做成無側移框架，盡可能減小柱子的計算長度；其二是《建筑抗震設計規(guī)范》第8.1.3條注2指出：一般情況下，構件的抗震等級應與結構相同。當某個部位各構件的承載力均滿足2倍地震作用組合下的內(nèi)力要求時。7-9度的構件抗震等級應允許降低一度確定。相應的條文說明亦明確說明：不同的抗震等級。體現(xiàn)不同的延性要求?？山梃b國外相應的抗震規(guī)范。如歐洲Eurocode8、美國AISC，日本BCJ的高、中、低等廷陛要求的規(guī)定。而且。按抗震設計等能量的概念。當構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。延性要求可適當降低。故允許降低其抗震等級。這意味著：當按提高一度的地震內(nèi)力進行構件抗震承載力（包括強度和穩(wěn)定）的驗算通過時。則可按降低一度確定的抗震等級檢查該構件的延性構造要求。

3.結論

單層鋼結構框架，由于層數(shù)少。荷載小。且鋼材承載能力較大。一般強度及穩(wěn)定問題不控制柱子截面大小。構造要求的長細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的要求。本文通過對單層鋼結構框架柱長細比設計分析，可以為類似工程設計提供借鑒。當然，鋼柱僅滿足長細比要求是不夠的。更要滿足鋼柱與鋼梁節(jié)點設計的要求甚至強柱弱梁的要求等。