軸心受壓鋼柱截面的優化設計

徐春杰，戴素娟，李婷，彭偉

（山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東　青島　266590）

軸心受壓鋼柱截面的優化設計

徐春杰，戴素娟，李婷，彭偉

（山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東青島266590）

在軸心受壓鋼柱的設計中，選擇合適的截面形式可以提高鋼柱的承載力，節省鋼材。文章探討了在用鋼量相同的情況下，普通軋制工字鋼、H型鋼、焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）和雙肢格構綴條鋼柱的穩定承載力。分析結果表明，雙肢格構綴條鋼柱的穩定承載力優于其它三種截面鋼柱。驗證了鋼柱設計時截面越開展、穩定承載力越高的結論。

軸心受壓鋼柱；普通軋制工字鋼；H型鋼；焊接工字形鋼；雙肢格構綴條鋼柱

0　前言

在鋼結構建筑工程中，鋼柱傳遞上部結構體系的作用力，并起到一定的支承作用，其中軸心受壓鋼柱應用居多。同時，軸心受壓鋼柱截面形式設計是否合理對結構性能影響較大。本文討論了在截面面積相同的情況下，截面形式分別為普通軋制工字鋼、H型鋼、焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）和雙肢格構綴條鋼柱的穩定承載力。

1　設計說明

鋼柱設計步驟有截面選擇、截面驗算和構造設計。鋼柱需滿足強度、剛度、整體穩定、局部穩定和構造要求。某軸心壓力N=400kN的鋼柱，計算長度lox= 600cm，loy=300cm。鋼材采用Q=35。假定λ=95，按整體穩定條件估算出截面面積A≥31.64m2。綜合考慮型鋼規格及雙肢格構綴條鋼柱分肢的穩定性，現討論截面面積A為42cm2、55cm2、72cm2、90cm2和120cm2時如圖（a）（b）（c）（d）截面鋼柱的穩定承載力。

圖1（a）普通軋制工字鋼和圖1（b）軋制H型鋼鋼柱根據估算的截面面積、回轉半徑通過查附表選擇合適的型號。圖1（c）焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）鋼柱參考圖1（b）軋制H型鋼鋼柱大小進行設計，以Ib× hw×tw×（t單位mm）方式表示且應符合鋼板規格。局部穩定應滿足下式：、［1］（其中，）。圖1（d）雙肢格構綴條鋼柱選擇分肢型號的方法與圖1（a）（b）截面鋼柱相同。設計時根據等穩定條件確定兩分肢的間距b。由換算長細比求得，再計算出，求出。根據Ad1≈0.05A可初步選擇綴條角鋼型號。綴條最小尺寸不宜小于L45×4的角鋼。

圖1　截面形式

軸心受壓鋼柱的穩定承載力按下式計算：Nmax= φminAf，式中φmin為最小整體穩定系數，通過查附表可得；f為鋼材的抗壓強度設計值。

2　不同截面形式鋼柱的穩定承載力分析

2.1當截面面積約為42cm2時四種截形式鋼柱的穩定承載力

當截面面積約42cm2為時，分別對圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩定承載力分析，其計算內容見表1。

四種截面形式鋼柱的設計參數和穩定承載力A=42cm2　表1

2.2當截面面積約為55cm2時四種截面形式鋼柱的穩定承載力

當截面面積約為55cm2時，分別對圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩定承載力分析，其計算內容見表2。

四種截面形式鋼柱的設計參數和穩定承載力A=55cm2　表2

2.3當截面面積約72cm2為時四種截面形式鋼柱的穩定承載力

當截面面積約72cm2為時，分別對圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩定承載力分析，其計算內容見表3。

四種截面形式鋼柱的設計參數和穩定承載力A=72cm2　表3

2.4當截面面積約為90cm2時四種截面形式鋼柱的穩定承載力

當截面面積約為90cm2時，分別對圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩定承載力分析，其計算內容見表4。

四種截面形式鋼柱的設計參數和穩定承載力A=90cm2　表4

2.5當截面面積約為102cm2時四種截面形式鋼柱的穩定承載力

當截面面積約為102cm2時，分別對圖1（a）（b）（c）（d）所示截面鋼柱的穩定承載力分析，其計算內容見表5。

四種截面形式鋼柱的設計參數和穩定承載力A=102cm2　表5

將上述截面面積約為42cm2、55cm2、72cm2、90cm2和102cm2時鋼柱的穩定承載力計算結果以圖2示Nmax－A曲線表示。分析可知，在用鋼量相同時，穩定承載力由高到低依次是雙肢格構綴條鋼柱、焊接工字形鋼（翼緣為焰切邊）鋼柱、軋制H型鋼鋼柱和普通軋制工字鋼鋼柱。

圖2　Nmax－A曲線

3　結論

由分析結果表明，在相同的用鋼量時，雙肢格構綴條鋼柱的穩定承載力比其它三種截面鋼柱高。由此驗證了鋼柱設計時截面面積越開展、穩定承載力越高的結論。

張耀春.鋼結構設計原理［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，山東聊城人，山東科技大學土木工程與建筑學院在讀碩士，研究方向：鋼結構。