超大長(zhǎng)細(xì)比鋼結(jié)構(gòu)柱如何實(shí)現(xiàn)？

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一、規(guī)范對(duì)長(zhǎng)細(xì)比規(guī)定

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB 50017-2017

7.4.6 驗(yàn)算容許長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，可不考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，計(jì)算單角鋼受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，應(yīng)采用角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑，但計(jì)算在交叉點(diǎn)相互連接的交叉桿件平面外的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，可采用與角鋼肢邊平行軸的回轉(zhuǎn)半徑。軸心受壓構(gòu)件的容許長(zhǎng)細(xì)比宜符合下列規(guī)定：

1 跨度等于或大于60m的桁架，其受壓弦桿、端壓桿和直接承受動(dòng)力荷載的受壓腹桿的長(zhǎng)細(xì)比不宜大于120。

2 軸心受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)表7.4.6規(guī)定的容許值，但當(dāng)桿件內(nèi)力設(shè)計(jì)值不大于承載能力的50％時(shí)，容許長(zhǎng)細(xì)比值可取200。

表7.4.6 受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比容許值

【條文說(shuō)明】7.4.6構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比的規(guī)定，主要是避免構(gòu)件柔度太大，在本身自重作用下產(chǎn)生過(guò)大的撓度和運(yùn)輸、安裝過(guò)程中造成彎曲，以及在動(dòng)力荷載作用下發(fā)生較大振動(dòng)。對(duì)受壓構(gòu)件來(lái)說(shuō)，由于剛度不足產(chǎn)生的不利影響遠(yuǎn)比受拉構(gòu)件嚴(yán)重。

調(diào)查證明，主要受壓構(gòu)件的容許長(zhǎng)細(xì)比值取為150，一般的支撐壓桿取為200，能滿足正常使用的要求。考慮到國(guó)外多數(shù)規(guī)范對(duì)壓桿的容許長(zhǎng)細(xì)比值的規(guī)定均較寬泛，一般不分壓桿受力情況均規(guī)定為200，經(jīng)研究并參考國(guó)外資料，在第2款中增加了內(nèi)力不大于承載能力50％的桿件，其長(zhǎng)細(xì)比可放寬到200。相比原規(guī)范，本條適當(dāng)增加了容許長(zhǎng)細(xì)比為200的構(gòu)件范圍。

7.4.7 驗(yàn)算容許長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，在直接或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，計(jì)算單角鋼受拉構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，應(yīng)采用角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑，但計(jì)算在交叉點(diǎn)相互連接的交叉桿件平面外的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，可采用與角鋼肢邊平行軸的回轉(zhuǎn)半徑。受拉構(gòu)件的容許長(zhǎng)細(xì)比宜符合下列規(guī)定：

1 除對(duì)腹桿提供平面外支點(diǎn)的弦桿外，承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)受拉構(gòu)件，可僅計(jì)算豎向平面內(nèi)的長(zhǎng)細(xì)比。

2 中、重級(jí)工作制吊車桁架下弦桿的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)200。

3 在設(shè)有夾鉗或剛性料耙等硬鉤起重機(jī)的廠房中，支撐的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)300。

4 受拉構(gòu)件在永久荷載與風(fēng)荷載組合作用下受壓時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)250。

5 跨度等于或大于60m的桁架，其受拉弦桿和腹桿的長(zhǎng)細(xì)比，承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載時(shí)不宜超過(guò)300，直接承受動(dòng)力荷載時(shí)，不宜超過(guò)250。

6 受拉構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)表7.4.7規(guī)定的容許值。柱間支撐按拉桿設(shè)計(jì)時(shí)，豎向荷載作用下柱子的軸力應(yīng)按無(wú)支撐時(shí)考慮。

表7.4.7 受拉構(gòu)件的容許長(zhǎng)細(xì)比

2、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50011-2010

8.3.1 框架柱的長(zhǎng)細(xì)比，一級(jí)不應(yīng)大于60,二級(jí)不應(yīng)大于80，三級(jí)不應(yīng)大于100，四級(jí)時(shí)不應(yīng)大于120。

【條文說(shuō)明】8.3.1 框架柱的長(zhǎng)細(xì)比關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。研究表明，鋼結(jié)構(gòu)高度加大時(shí)，軸力加大，豎向地震對(duì)框架柱的影響很大。本條規(guī)定與2001規(guī)范相比，高于50m時(shí)，7、8度有所放松；低于50m時(shí)，8、9度有所加嚴(yán)。

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）統(tǒng)一培訓(xùn)教材相關(guān)說(shuō)明

(1)框架柱長(zhǎng)細(xì)比框架柱的最大長(zhǎng)細(xì)比是為了保證結(jié)構(gòu)在計(jì)算中未考慮的作用力，特別是大震時(shí)的豎向地震作用下的安全，是至關(guān)重要的。抗震規(guī)范把它列為強(qiáng)制性條文。

本次修訂，將2001規(guī)范按烈度和高度區(qū)分的執(zhí)定改為按抗震等級(jí)區(qū)分，最嚴(yán)的要求為60，最寬的要求為120(構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和板件寬厚比要求與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)、為了方便起見(jiàn)，以下介紹均取屈服強(qiáng)度為235N/m2時(shí)的值。不同屈服強(qiáng)度的值可簡(jiǎn)單換算，具體見(jiàn)規(guī)范表、與2001規(guī)范的規(guī)定相同;中間的情況略有調(diào)整應(yīng)當(dāng)指出，框架桂的抗震設(shè)計(jì)還包括應(yīng)滿足強(qiáng)柱弱梁要求等，在很多情況下根據(jù)強(qiáng)柱弱梁要求，按長(zhǎng)細(xì)比限值確定的柱截面可能不夠，此時(shí)必須增大柱截面。

二、非抗震結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

陳紹蕃大師在《鋼構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比芻議》一文中對(duì)長(zhǎng)細(xì)比談了幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1、從鋼標(biāo)7.4.6~7相關(guān)條文可知, 對(duì)非抗震結(jié)構(gòu)中構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的限制不屬于承載能力范疇。容許長(zhǎng)細(xì)比的數(shù)值來(lái)源于工程經(jīng)驗(yàn)而不是對(duì)承載能力的解析,它的實(shí)質(zhì)是構(gòu)件的剛度指標(biāo)。

2、如果從“避免構(gòu)件柔度太大，在本身自重作用下產(chǎn)生過(guò)大的撓度和運(yùn)輸、安裝過(guò)程中造成彎曲，以及在動(dòng)力荷載作用下發(fā)生較大振動(dòng)”這個(gè)角度，桿件的長(zhǎng)細(xì)比可以區(qū)分為幾何長(zhǎng)細(xì)比和計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比。前者以構(gòu)件的幾何長(zhǎng)度 L為準(zhǔn), 即 K=L/i; 后者以構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度 l0 = L*μ 為準(zhǔn), 即 K= L*μ/i。容許長(zhǎng)細(xì)比不在承載能力范疇之內(nèi), 以幾何長(zhǎng)細(xì)比為準(zhǔn)似應(yīng)比計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比更為恰當(dāng)。

3、規(guī)范規(guī)定存在的一個(gè)問(wèn)題是對(duì)受壓構(gòu)件，是否包括壓彎構(gòu)件沒(méi)有明確說(shuō)明。一般理解是規(guī)定的限值同樣適用于軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件。但規(guī)范對(duì)受彎構(gòu)件并未規(guī)定長(zhǎng)細(xì)比限值, 而壓彎構(gòu)件介于軸心壓桿和受彎構(gòu)件之間, 和軸心壓桿同樣要求, 未必合理。

4、初步意見(jiàn)是對(duì)于非抗震設(shè)防的框架柱, 可以不規(guī)定長(zhǎng)細(xì)比限值。03 規(guī)范已經(jīng)從兩個(gè)方面制約了框架柱的長(zhǎng)細(xì)比, 其一是穩(wěn)定計(jì)算的要求, 長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大則穩(wěn)定計(jì)算通不過(guò), 其二是對(duì)框架水平位移的控制。前者屬于承載力問(wèn)題, 后者則是剛度要求。03 規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)定由過(guò)去的硬性要求改為設(shè)計(jì)者可以適當(dāng)靈活處理, 只用框架水平位移控制其剛度似乎已經(jīng)足夠了。

5、部分構(gòu)件限制長(zhǎng)細(xì)比,實(shí)質(zhì)是為了確保剩余剛度從而為其余構(gòu)件的穩(wěn)定提供支援作用。因此要求對(duì)于為其他構(gòu)件的穩(wěn)定提供支援作用的構(gòu)件,如桁架的下弦桿、減小桿件計(jì)算長(zhǎng)度的側(cè)向支撐等,應(yīng)保證其具有足夠的剩余剛度,需按《鋼標(biāo)》控制長(zhǎng)細(xì)比。

三、抗震結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

童根樹(shù)老師在《鋼結(jié)構(gòu)與鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理解與應(yīng)用》一書中指出，框架柱的延性與長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比、構(gòu)件寬厚比等都有關(guān)系，通過(guò)分析框架柱的長(zhǎng)細(xì)比和軸壓比較大,延性和耗能能力就比較差，但《抗規(guī)》中框架柱的容許長(zhǎng)細(xì)比未與軸壓比發(fā)生聯(lián)系,似有不妥。

童根樹(shù)老師在《鋼結(jié)構(gòu)與鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理解與應(yīng)用》一書建議框架柱的容許長(zhǎng)細(xì)比與軸壓比發(fā)生聯(lián)系,相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)如表1。

四、超大長(zhǎng)細(xì)比柱如何實(shí)現(xiàn)

為滿足建筑效果,建筑師常希望搖擺柱、框架柱、鋼支撐等構(gòu)件盡量纖細(xì),突破規(guī)范關(guān)于容許長(zhǎng)細(xì)比的規(guī)定。結(jié)構(gòu)師也常困惑于較小的應(yīng)力比下能否突破規(guī)范關(guān)于容許長(zhǎng)細(xì)比的規(guī)定。

周佳、童根樹(shù)在《鋼結(jié)構(gòu)與鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理解與應(yīng)用》——穩(wěn)定和長(zhǎng)細(xì)比一文中指出：《鋼標(biāo)》17. 1. 4 條規(guī)定,隨構(gòu)件承載性能等級(jí)的提高,構(gòu)件的延性等級(jí)降低。《抗規(guī)》8. 1. 3 條規(guī)定,當(dāng)構(gòu)件的承載力滿足 2 倍小震作用下的荷載組合時(shí),抗震等級(jí)可以降低一級(jí)。《鋼標(biāo)》、《抗規(guī)》均體現(xiàn)“高承載力-低延性”的抗震設(shè)計(jì)思路。建議當(dāng)構(gòu)件的承載力滿足3 倍小震作用下的荷載組合時(shí),無(wú)需關(guān)注鋼構(gòu)件在彈塑性狀態(tài)下的延性性能。因此,當(dāng)構(gòu)件的承載力滿足 3 倍小震作用下的荷載組合時(shí),可不再拘泥于抗震時(shí)的容許長(zhǎng)細(xì)比要求。

參考文獻(xiàn)

1、陳紹蕃鋼構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比芻議

2、周佳、童根樹(shù)《鋼結(jié)構(gòu)與鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理解與應(yīng)用》——穩(wěn)定和長(zhǎng)細(xì)比

3、童根樹(shù) 《鋼結(jié)構(gòu)與鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理解與應(yīng)用》

4、關(guān)于桿系鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題討論_黃卓駒

（責(zé)任編輯：何雯麗）