轴心受压钢柱截面的优化设计

徐春杰，戴素娟，李婷，彭伟

（山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东　青岛　266590）

轴心受压钢柱截面的优化设计

徐春杰，戴素娟，李婷，彭伟

（山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛266590）

在轴心受压钢柱的设计中，选择合适的截面形式可以提高钢柱的承载力，节省钢材。文章探讨了在用钢量相同的情况下，普通轧制工字钢、H型钢、焊接工字形钢（翼缘为焰切边）和双肢格构缀条钢柱的稳定承载力。分析结果表明，双肢格构缀条钢柱的稳定承载力优于其它三种截面钢柱。验证了钢柱设计时截面越开展、稳定承载力越高的结论。

轴心受压钢柱；普通轧制工字钢；H型钢；焊接工字形钢；双肢格构缀条钢柱

0　前言

在钢结构建筑工程中，钢柱传递上部结构体系的作用力，并起到一定的支承作用，其中轴心受压钢柱应用居多。同时，轴心受压钢柱截面形式设计是否合理对结构性能影响较大。本文讨论了在截面面积相同的情况下，截面形式分别为普通轧制工字钢、H型钢、焊接工字形钢（翼缘为焰切边）和双肢格构缀条钢柱的稳定承载力。

1　设计说明

钢柱设计步骤有截面选择、截面验算和构造设计。钢柱需满足强度、刚度、整体稳定、局部稳定和构造要求。某轴心压力N=400kN的钢柱，计算长度lox= 600cm，loy=300cm。钢材采用Q=35。假定λ=95，按整体稳定条件估算出截面面积A≥31.64m2。综合考虑型钢规格及双肢格构缀条钢柱分肢的稳定性，现讨论截面面积A为42cm2、55cm2、72cm2、90cm2和120cm2时如图（a）（b）（c）（d）截面钢柱的稳定承载力。

图1（a）普通轧制工字钢和图1（b）轧制H型钢钢柱根据估算的截面面积、回转半径通过查附表选择合适的型号。图1（c）焊接工字形钢（翼缘为焰切边）钢柱参考图1（b）轧制H型钢钢柱大小进行设计，以Ib× hw×tw×（t单位mm）方式表示且应符合钢板规格。局部稳定应满足下式：、［1］（其中，）。图1（d）双肢格构缀条钢柱选择分肢型号的方法与图1（a）（b）截面钢柱相同。设计时根据等稳定条件确定两分肢的间距b。由换算长细比求得，再计算出，求出。根据Ad1≈0.05A可初步选择缀条角钢型号。缀条最小尺寸不宜小于L45×4的角钢。

图1　截面形式

轴心受压钢柱的稳定承载力按下式计算：Nmax= φminAf，式中φmin为最小整体稳定系数，通过查附表可得；f为钢材的抗压强度设计值。

2　不同截面形式钢柱的稳定承载力分析

2.1当截面面积约为42cm2时四种截形式钢柱的稳定承载力

当截面面积约42cm2为时，分别对图1（a）（b）（c）（d）所示截面钢柱的稳定承载力分析，其计算内容见表1。

四种截面形式钢柱的设计参数和稳定承载力A=42cm2　表1

2.2当截面面积约为55cm2时四种截面形式钢柱的稳定承载力

当截面面积约为55cm2时，分别对图1（a）（b）（c）（d）所示截面钢柱的稳定承载力分析，其计算内容见表2。

四种截面形式钢柱的设计参数和稳定承载力A=55cm2　表2

2.3当截面面积约72cm2为时四种截面形式钢柱的稳定承载力

当截面面积约72cm2为时，分别对图1（a）（b）（c）（d）所示截面钢柱的稳定承载力分析，其计算内容见表3。

四种截面形式钢柱的设计参数和稳定承载力A=72cm2　表3

2.4当截面面积约为90cm2时四种截面形式钢柱的稳定承载力

当截面面积约为90cm2时，分别对图1（a）（b）（c）（d）所示截面钢柱的稳定承载力分析，其计算内容见表4。

四种截面形式钢柱的设计参数和稳定承载力A=90cm2　表4

2.5当截面面积约为102cm2时四种截面形式钢柱的稳定承载力

当截面面积约为102cm2时，分别对图1（a）（b）（c）（d）所示截面钢柱的稳定承载力分析，其计算内容见表5。

四种截面形式钢柱的设计参数和稳定承载力A=102cm2　表5

将上述截面面积约为42cm2、55cm2、72cm2、90cm2和102cm2时钢柱的稳定承载力计算结果以图2示Nmax－A曲线表示。分析可知，在用钢量相同时，稳定承载力由高到低依次是双肢格构缀条钢柱、焊接工字形钢（翼缘为焰切边）钢柱、轧制H型钢钢柱和普通轧制工字钢钢柱。

图2　Nmax－A曲线

3　结论

由分析结果表明，在相同的用钢量时，双肢格构缀条钢柱的稳定承载力比其它三种截面钢柱高。由此验证了钢柱设计时截面面积越开展、稳定承载力越高的结论。

张耀春.钢结构设计原理［M］.北京：高等教育出版社，2004.

TU311.4

A

1007-7359（2016）04-0119-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.047

徐春杰（1990-），女，山东聊城人，山东科技大学土木工程与建筑学院在读硕士，研究方向：钢结构。