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摘要 本文介紹了鋼異型柱應用于鋼結(jié)構住宅的實際工程情況。
關鍵詞 鋼異型柱，鋼結(jié)構住宅
1、前言
在鋼結(jié)構住宅設計中，結(jié)構體系主要是用熱軋H型鋼作為豎向承重構件，H型鋼柱截面尺寸一般在200mm×200mm至400mm×400mm，再加上保護層和飾面，柱子在室內(nèi)凸出，影響美觀及使用。由此我們設想，在鋼結(jié)構住宅建筑中若能使用鋼異形柱，就能解決鋼結(jié)構住宅建筑的室內(nèi)柱角凸出問題。例如中柱用十字形截面、邊柱用T形截面、角柱用L型截面，它們都由H型鋼和T型鋼組合而成，我們稱它們?yōu)殇摦愋沃�，如圖1所示。我國現(xiàn)行《鋼結(jié)構設計規(guī)范》第5.2條對十字形柱和T形柱給出了設計計算公式，但沒有圖1（c）所示L形柱的設計計算方法，有關資料查閱也未見這方面的研究報導文獻。 因此，我們用彈性薄壁柱理論，開發(fā)了鋼異型柱理論，尤其是L形截面柱，推導了任意開口截面柱彎扭屈曲相關方程，進而研究了L形截面柱軸向受壓的承載力及其φ-λ曲線，為L形鋼柱應用于鋼結(jié)構住宅提供了理論依據(jù)[3]。本文將介紹鋼異型柱工程應用情況。
2、工程概況
該試驗樓為二層別墅，如圖2、3所示，總建筑面積為336.4m2，包括臥室、餐廳、起居室，操作間、洗衣房等，體型復雜、不規(guī)則。其主體結(jié)構采用鋼框架結(jié)構，現(xiàn)澆混凝土樓板、輕鋼坡屋面，基礎采用柱下獨立柱基加拉梁，其結(jié)構平面布置如圖4所示。
本工程底層層高為3.65m，二層層高為2.85m，抗震設防烈度為8度，場地類別為II級，基本風壓為0.45kN/m2。
3、結(jié)構設計與計算
3.1 結(jié)構布置
采用鋼異形柱主要是為了滿足建筑要求，故設計中結(jié)構布置在滿足框架結(jié)構布置的一般原則基礎上，應盡量滿足建筑在室內(nèi)不外露柱子的要求。
在房間的角部布置L形角柱，沿外墻中部布置T形截面柱，在房間的中間根據(jù)內(nèi)隔墻的具體位置布置L形柱與T形柱，并配合使用小截面H型鋼和方鋼管（如圖4所示）。
T型柱和L型柱的截面形狀如圖1所示，均采用H型鋼與T型鋼焊接而成，這樣既可取用現(xiàn)有的H型，降低成本，又不必對腹板進行局部屈曲驗算。其截面尺寸的選用，首先根據(jù)墻寬要求，選用H型鋼翼緣寬度范圍，然后查H型鋼表選用合適的H型鋼，再根據(jù)H型鋼與T型部分的尺寸關系確定截面各部分的尺寸，并將H型鋼與T型截面在工廠進行焊接及相關處理，得到L形截面柱和T形截面柱。
梁寬與柱翼緣同寬，梁高根據(jù)計算承載力需要及型鋼表選用。由于本試驗樓體型不規(guī)則，且建筑要求在室內(nèi)不露梁，從而使某些地方鋼梁不能貫通，降低了結(jié)構整體剛度。為解決這一問題，本設計中根據(jù)需要設計了一定數(shù)量的鋼筋混凝土暗梁在現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板中，以加強結(jié)構整體剛度，并降低鋼柱的計算長度系數(shù)和彎曲應力。
外圍墻體外側(cè)采用珠穆朗瑪新型建材有限公司開發(fā)的100厚保溫墻板，內(nèi)側(cè)根據(jù)需要砌一定厚度的加氣混凝土砌塊，并在鋼柱處用保溫絕熱材料進行填充，阻止熱橋效應，如圖5所示。內(nèi)墻采用100厚加氣混凝土砌塊。這種雙層墻體建筑體系具有很多優(yōu)點，而且施工也簡單。
屋面為輕鋼坡屋面，在輕鋼骨架上鋪屋面板。
3.2 結(jié)構計算
結(jié)構計算采用中國建筑科學研究院開發(fā)的PKPM系列結(jié)構分析程序，用STS進行結(jié)構模型的輸入，用SATWE進行結(jié)構分析計算。
L形異形鋼柱在STS中建模時，按等效剛度的原則用型鋼代替，并盡量使其截面面積比較接近。由于L形柱對工程軸坐標兩個方向的剛度非常接近，故設計中選用矩形鋼管或方鋼管代替L形柱。這樣結(jié)構總剛度與各柱剛度基本與原結(jié)構一致，從而使各柱分配到的力與原結(jié)構也基本一致，且軸壓比也與原結(jié)構基本一致。
在STS中建模后，通過在SATWE中進行分析計算，即可得到各荷載工況下各柱的內(nèi)力和軸壓比(如圖6所示)，以及樓層的層間位移角（見表1）。
表1 各工況作用下最大層間位移角
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X向地震力作用 |
Y向地震力作用 |
X向風荷載作用 |
Y向風荷載作用 |
| 最大層間位移角 |
1/1042 |
1/1335 |
1/6122 |
1/6808 |
3.3 L形柱截面應力校核
由于整體計算中L形鋼柱采用的是等效剛度法進行等效代換，故在以上各項滿足規(guī)范要求的前提下，還需對各柱強度（截面應力）和穩(wěn)定進行驗算。驗算方法為，將PKPM整體結(jié)構計算得到的內(nèi)力  分別代入[3]所推導的L形柱壓彎穩(wěn)定公式和強度公式進行驗算。由于目前計算軟件沒有L型鋼構件設計功能，需要根據(jù)文獻3的公式驗算。
3.4 構造措施
由于結(jié)構整體剛度較小，樓層側(cè)移較大，而增大柱截面又不經(jīng)濟，故本試驗樓采用一定數(shù)量支撐的方法來提高結(jié)構整體剛度，降低側(cè)移量。
4、總結(jié)
綜上所述，與普通鋼框架結(jié)構相比，鋼異形柱框架結(jié)構體系在結(jié)構布置中聯(lián)合使用L形柱、T形柱、十字形柱、H型鋼和方鋼管柱，使鋼柱不外露到室內(nèi)。經(jīng)計算，12層以內(nèi)都可做到室內(nèi)不漏柱，高層建筑可少漏柱。我們所研究的鋼異型柱是由H型鋼組合而成的，其翼緣具有“邊緣約束構件”效果，抗扭效果好。
另外，雙層墻體的應用較好地解決了其他建筑和熱工問題以及抗側(cè)力問題。在鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板中用暗梁或反梁也能解決復雜的平面建筑問題。
歡迎感興趣的同行進行更深入的討論。
參考文獻
[1]. 陳驥，鋼結(jié)構穩(wěn)定理論與設計，科學出版社.2001
[2]. 中華人民共和國國家標準，《鋼結(jié)構設計規(guī)范》GB50017-2003
[3]. 王明貴、張莉若、譚世友，鋼異形柱彎扭相關屈曲研究，《鋼結(jié)構》2006.4
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