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摘要 本文介紹了鋼異型柱應用于鋼結構住宅的實際工程情況。
關鍵詞 鋼異型柱，鋼結構住宅
1、前言
在鋼結構住宅設計中，結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，柱子在室內凸出，影響美觀及使用。由此我們設想，在鋼結構住宅建筑中若能使用鋼異形柱，就能解決鋼結構住宅建筑的室內柱角凸出問題。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，我們稱它們為鋼異形柱，如圖1所示。我國現行《鋼結構設計規范》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形鋼柱應用于鋼結構住宅提供了理論依據[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、不規則。其主體結構采用鋼框架結構，現澆混凝土樓板、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、結構設計與計算
3.1 結構布置
采用鋼異形柱主要是為了滿足建筑要求，故設計中結構布置在滿足框架結構布置的一般原則基礎上，應盡量滿足建筑在室內不外露柱子的要求。
在房間的角部布置L形角柱，沿外墻中部布置T形截面柱，在房間的中間根據內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，梁高根據計算承載力需要及型鋼表選用。由于本試驗樓體型不規則，且建筑要求在室內不露梁，從而使某些地方鋼梁不能貫通，降低了結構整體剛度。為解決這一問題，本設計中根據需要設計了一定數量的鋼筋混凝土暗梁在現澆鋼筋混凝土樓板中，以加強結構整體剛度，并降低鋼柱的計算長度系數和彎曲應力。
外圍墻體外側采用珠穆朗瑪新型建材有限公司開發的100厚保溫墻板，內側根據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 結構計算
結構計算采用中國建筑科學研究院開發的PKPM系列結構分析程序，用STS進行結構模型的輸入，用SATWE進行結構分析計算。
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。這樣結構總剛度與各柱剛度基本與原結構一致，從而使各柱分配到的力與原結構也基本一致，且軸壓比也與原結構基本一致。
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范要求的前提下，還需對各柱強度（截面應力）和穩定進行驗算。驗算方法為，將PKPM整體結構計算得到的內力  分別代入[3]所推導的L形柱壓彎穩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，需要根據文獻3的公式驗算。
3.4 構造措施
由于結構整體剛度較小，樓層側移較大，而增大柱截面又不經濟，故本試驗樓采用一定數量支撐的方法來提高結構整體剛度，降低側移量。
4、總結
綜上所述，與普通鋼框架結構相比，鋼異形柱框架結構體系在結構布置中聯合使用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。經計算，12層以內都可做到室內不漏柱，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力問題。在鋼筋混凝土現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，鋼結構穩定理論與設計，科學出版社.2001
[2]. 中華人民共和國國家標準，《鋼結構設計規范》GB50017-2003
[3]. 王明貴、張莉若、譚世友，鋼異形柱彎扭相關屈曲研究，《鋼結構》2006.4
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