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摘要 本文介紹了鋼異型柱應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的實(shí)際工程情況。
關(guān)鍵詞 鋼異型柱，鋼結(jié)構(gòu)住宅
1、前言
在鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)體系主要是用熱軋H型鋼作為豎向承重構(gòu)件，H型鋼柱截面尺寸一般在200mm×200mm至400mm×400mm，再加上保護(hù)層和飾面，柱子在室內(nèi)凸出，影響美觀及使用。由此我們設(shè)想，在鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中若能使用鋼異形柱，就能解決鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2條對(duì)十字形柱和T形柱給出了設(shè)計(jì)計(jì)算公式，但沒有圖1（c）所示L形柱的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，有關(guān)資料查閱也未見這方面的研究報(bào)導(dǎo)文獻(xiàn)。 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(dǎo)了任意開口截面柱彎扭屈曲相關(guān)方程，進(jìn)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(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)住宅提供了理論依據(jù)[3]。本文將介紹鋼異型柱工程應(yīng)用情況。
2、工程概況
該試驗(yàn)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(fù)雜、不規(guī)則。其主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土樓板、輕鋼坡屋面，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立柱基加拉梁，其結(jié)構(gòu)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(shè)防烈度為8度，場地類別為II級(jí)，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 結(jié)構(gòu)布置
采用鋼異形柱主要是為了滿足建筑要求，故設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)布置在滿足框架結(jié)構(gòu)布置的一般原則基礎(chǔ)上，應(yīng)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(duì)腹板進(jìn)行局部屈曲驗(yàn)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(guān)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(jìn)行焊接及相關(guān)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(jì)算承載力需要及型鋼表選用。由于本試驗(yàn)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(gòu)整體剛度。為解決這一問題，本設(shè)計(jì)中根據(jù)需要設(shè)計(jì)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(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度，并降低鋼柱的計(jì)算長度系數(shù)和彎曲應(yīng)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(jìn)行填充，阻止熱橋效應(yīng)，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(diǎn)，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(gòu)計(jì)算
結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM系列結(jié)構(gòu)分析程序，用STS進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的輸入，用SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。
L形異形鋼柱在STS中建模時(shí)，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(duì)工程軸坐標(biāo)兩個(gè)方向的剛度非常接近，故設(shè)計(jì)中選用矩形鋼管或方鋼管代替L形柱。這樣結(jié)構(gòu)總剛度與各柱剛度基本與原結(jié)構(gòu)一致，從而使各柱分配到的力與原結(jié)構(gòu)也基本一致，且軸壓比也與原結(jié)構(gòu)基本一致。
在STS中建模后，通過在SATWE中進(jìn)行分析計(jì)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(fēng)荷載作用 |
Y向風(fēng)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(yīng)力校核
由于整體計(jì)算中L形鋼柱采用的是等效剛度法進(jìn)行等效代換，故在以上各項(xiàng)滿足規(guī)范要求的前提下，還需對(duì)各柱強(qiáng)度（截面應(yīng)力）和穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算方法為，將PKPM整體結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的內(nèi)力  分別代入[3]所推導(dǎo)的L形柱壓彎穩(wěn)定公式和強(qiáng)度公式進(jìn)行驗(yàn)算。由于目前計(jì)算軟件沒有L型鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)功能，需要根據(jù)文獻(xiàn)3的公式驗(yàn)算。
3.4 構(gòu)造措施
由于結(jié)構(gòu)整體剛度較小，樓層側(cè)移較大，而增大柱截面又不經(jīng)濟(jì)，故本試驗(yàn)樓采用一定數(shù)量支撐的方法來提高結(jié)構(gòu)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(gòu)相比，鋼異形柱框架結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)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(jì)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(gòu)件”效果，抗扭效果好。
另外，雙層墻體的應(yīng)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(fù)雜的平面建筑問題。
歡迎感興趣的同行進(jìn)行更深入的討論。
參考文獻(xiàn)
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[2]. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003
[3]. 王明貴、張莉若、譚世友，鋼異形柱彎扭相關(guān)屈曲研究，《鋼結(jié)構(gòu)》2006.4
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