钢平台钢柱布置与截面设计研究

熊 晓 萌

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

钢平台钢柱布置与截面设计研究

熊 晓 萌

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

介绍了钢平台钢柱布置与钢柱截面设计的原则，并探讨了钢柱截面选择与抗震验算的方法，指出钢柱的合理布置需建立在科学的截面设计基础上，这样才能达到既安全又经济适用的技术指标。

钢平台，钢柱，截面设计，结构体系

1 概述

由于钢构件具有重量轻、材料强度高、整体性能好、变形能力强、抗震性好、施工速度快等优点，使钢平台不论是在工业还是民用建筑中都占据越来越重要的地位。钢平台的主要荷载为竖向荷载，钢柱又作为主要的承重构件并与梁板共同组成抗侧力结构，因此钢柱的合理布置和截面设计在钢平台设计中尤为重要。

2 钢柱布置原则

合理的钢柱布置建立在合理的建筑结构布置的基础上，通过灵活的结构布置，满足钢柱构件的合理受力、足够使用空间与施工便利的要求。

2.1 结构体系布置

合理的钢结构体系应该是刚柔相济的。钢梁与钢柱组成的钢平台刚度大，即抵抗变形的能力强。在特别严重的地震作用下，短时间内强大的破坏力易造成钢梁与钢柱构件局部破坏最终造成整体结构失稳破坏；相反钢平台若是均采用柔性连接，虽可以消减部分外力的作用，但可能会导致结构变形过大甚至整体倒塌。结构在主轴方向抗侧刚度小变形大，因而在两个主轴方向应双向设置钢梁与钢柱，使结构形成双向抗侧力体系。钢柱上下两端一般设计为铰接，对于承受较大荷载的钢柱尤其考虑地震作用时，应设计成上端铰接下端刚接，以增大钢平台整体刚度和稳定性。

钢平台布置应对称、规则，保证良好的结构整体性。在简单均匀的结构布置基础上，也保证了简单、合理的荷载传力途径。明确的受力和直接的传力途径有利于钢梁与钢柱共同抵抗水平和竖向荷载，同时合理的钢梁钢柱布置也可减少甚至避免受扭。

2.2 钢柱布置原则

钢平台的钢柱柱网布置需要满足生产工艺和建筑平面布置的要求，一般方形柱网(如图1所示)与矩形柱网(如图2～图4所示)是钢结构中常用的柱网布置形式，其柱距采用6 m～9 m为经济柱距。同时一般将钢柱布置在钢平台横纵轴线的中心相交点上，可降低柱网布置对结构使用空间的影响。其次钢柱柱网布置还与钢梁跨度相关，较大的钢柱柱距可满足较大空间的要求，但会增大钢柱的截面尺寸和增强对钢柱的强度与刚度要求，所以钢柱的布置同时也需结合建筑空间需求和结构造价综合考虑。

钢平台的钢柱柱网布置还要满足合理的受力变形要求。钢平台主要承受竖向荷载，因此钢柱的布置也应考虑到使结构在竖向荷载作用下内力分布均匀，使钢构件强度均能充分利用。

钢平台的钢柱柱网布置还要满足现场施工方便的要求。钢柱节点构造简单便于现场施工，钢柱两端常用铰接即螺栓连接；同时尽可能选用可直接采购的钢材，如H型钢及钢管。但钢平台钢柱两端都为铰接时需设置柱间斜撑以保证结构稳定。支撑常按柔性交叉设计，一般布置在柱列中部以减小温度效应，而且水平支撑在安装时也可用来调节钢梁的相对位置。

钢柱柱网确定后钢梁可按照柱网分布来布置。钢平台的主梁应按照平台的短跨方向布置于钢柱间，同时根据钢平台铺板的容许跨距设置次梁，次梁间距可为2 m～3 m。

3 钢柱截面设计原则

确定钢柱布置后，合理的钢柱截面设计以满足使用要求达到良好的技术经济指标是钢平台设计中的另一关键问题。

3.1 钢柱截面设计原则

钢柱截面需同时满足强度、挠度、整体稳定性与局部稳定性的要求，截面设计应遵循以下四个原则：

1)等稳定性。构件在两个主轴方向的长细比或稳定系数应尽可能相等，使两个主轴方向上的整体承载力尽量接近，以达到安全经济的效果。

2)宽肢薄壁。在满足构件宽厚比规定值的基础上，尽可能增大截面惯性矩和回转半径，即使面积分布尽量远离形心轴，以提高构件的刚度和承载力。

3)便于连接。为便于与其他构件现场连接，宜选择开敞式截面，如H型钢与工字钢。

4)制造省工。为节约成本保证质量，尽量使用工厂自动焊接制作构件，减少工地现场焊接。为降低采购成本，尽可能选用现场已有钢材或可直接采购的钢材规格。

3.2 钢柱截面选择

根据上述原则和正常使用要求，钢柱一般宜采用双轴对称截面，其常用截面形式包括工字形截面与箱形截面。特殊情况下也可采用两个槽钢组成的组合柱。

根据工艺要求和选材范围首先确定钢材规格，估算轴向压力设计值，确定两个主轴方向上的计算长度，在此基础上初步选定钢柱截面。之后对所选截面尺寸进行强度、挠度、整体稳定性与局部稳定性的验算。具体步骤如下：

1)估算轴向压力设计值N。首先确定钢柱的受荷面积。此面积可简单取钢柱左右两个跨度之和的1/2进行计算，再根据结构形式和活荷载情况，计算出钢柱支撑的楼板面积所承受的恒荷载、活荷载及钢梁自重，从而估算出钢柱的轴向压力设计值。

在确定钢柱受荷面积的基础上，也可根据设计经验初步估算竖向荷载。如民用建筑多层框架结构的竖向荷载标准值(恒荷载+活荷载)平均为14 kN/m2，工业厂房内钢平台的竖向荷载标准值一般为13 kN/m2～15 kN/m2左右。受荷面积乘以估算的竖向荷载标准值可得轴向压力设计值。

2)计算截面面积A。根据规范规定的构件长细比限值假定一长细比λ，数值一般在50～100范围内。当构件计算长度小而轴力大时，λ一般取较小值；相反情况下λ则取较大值。

根据截面分类及长细比查得稳定系数φ，再通过式(1)计算所需的截面面积A：

(1)

3)计算构件截面在主轴x，y方向上所需的回转半径：

(2)

(3)

通过以上计算得到A,ix,iy，查型钢表，普通型钢截面选择相应型钢规格。

焊接组合截面还需通过上述计算的回转半径ix与iy确定截面的高度h和宽度b，详见式(4)，式(5)：

(4)

(5)

4)确定截面构件尺寸。对于焊接组合截面，通过上述计算确定的高度、宽度与截面面积，再根据钢材规格与构造要求等条件，确定合理的截面尺寸。

在满足构造要求、型钢规格以及局部稳定性的基础上，截面高度与宽度一般取10 mm的倍数，翼缘和腹板厚度取2 mm的倍数，翼缘厚度应比腹板厚度大，但一般都不小于4 mm。

5)截面验算。初步确定钢柱截面后，计算各项截面几何特性，之后进行强度、挠度和整体稳定性与局部稳定性的验算。经过以下各项验算若发现初步选定的截面有不满足要求或不够恰当之处时，应适当修改截面重新验算直至截面验算全部通过为止。

a.强度验算：

(6)

其中，N为轴心压力；An为构件净截面面积；f为钢材强度设计值。

b.挠度验算：

(7)

其中，l0为构件计算长度；i为回转半径；[λ]为容许长细比。

压杆长细比过大易造成构件在安装和使用过程中变形，因此需加以约束。

c.整体稳定性验算：

(8)

其中，A为构件毛截面面积；φ为轴心受压构件整体稳定系数，与截面类型、构件长细比及所用钢材种类有关。

d.局部稳定性验算:

翼缘:

(9)

腹板:

(10)

其中，t为翼缘厚度；tw为腹板厚度；fy为钢材屈服强度。

对于热轧普通型钢，构件翼缘较厚无需通过计算宽厚比验算局部稳定。

3.3 抗震验算

钢结构应满足当地的抗震设防烈度要求，即由钢梁与钢柱组成的钢平台结构应具备可抵抗地震来袭的能力。在钢结构计算软件中(如PKPM和STAAD.Pro)进行钢平台整体计算时应选择相应的地震烈度进行验算，当钢平台满足检验标准后钢柱的布置和截面尺寸才算满足要求。

4 结语

钢柱的合理布置可以满足自身的合理受力、足够的建筑空间和施工方便省工等要求，从而使钢平台具有良好的承载能力和结构整体性，同时钢柱的合理布置需要建立在良好的截面设计的基础上，最终才能达到既安全又经济适用的技术经济指标。

[1] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[4] 郭瑶雪，刘春红.框架结构梁板柱的布置原则[J].科学之友旬刊,2011(11):83-84.

[5] 李向阳.钢平台结构设计初探[J].山西建筑,2007,33(34):82-83.

[6] 徐湘涛.钢筋混凝土结构框架柱截面尺寸设计[J].工业建筑,2010,40(3):44-46.

Research on steel column layout and cross-section design of steel platform

Xiong Xiaomeng

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840，China)

The paper introduces steel-platform steel-column layout and steel-column section design principles, explores steel-column selection and seismic check methods, and points out that: it is necessary to establish scientific section design for rationally distributing steel column, so as to achieve safety and economic technological indicators.

steel platform, steel column, section design, structural system

1009-6825(2017)03-0026-03

2016-11-19

熊晓萌(1988- )，女，硕士，助理工程师

TU318

A