钢框架结构构件选型比较

刁鹏展

(太原市建筑设计研究院，山西太原 030002)

0 引言

梁板柱及基础构成钢框架结构，目前钢框架梁一般采用焊接H型钢梁，钢次梁采用国标窄翼缘H型钢梁，也可采用上翼缘小下翼缘大组合钢梁，基础同一般钢筋混凝土框架结构没有大的区别，这两方面选型大家没有过多争议，本文主要对钢柱截面形式和楼板形式的选型做以下比较。

1 楼板

目前钢框架楼板体系主要有:

1)现浇混凝土楼板;

2)SP预应力混凝土空心楼板;

3)压型钢板楼板;

4)钢筋桁架楼承板。

现浇楼板，缺点是不能适应主体钢结构快速施工的要求，现场需采用施工速度较慢的木模或钢模支模施工，不能实现多个楼层分层浇筑混凝土板的流水施工法，影响施工进度，体现不出钢结构在安装速度方面的优越性，优点是单从楼板费用相比较低，实际工程中较少或者局部使用;SP预应力混凝土空心板跨度大、承载力高，施工速度快，可以减少钢次梁，节省用钢量，但对原料质量和过程控制要求高，加之成型工艺特殊(采用干硬性混凝土，密实度较难控制)，产品合格率低，由于板跨大，运输和吊装的难度大，如果不加注意，很容易造成SP板意外损坏，目前较多用于工业建筑中，民用建筑比较少见;本文重点比较下压型钢板楼板和钢筋桁架楼板。

压型钢板楼板目前主要采用非组合楼板，主要原因:

1)国内生产的板型多数是无压痕及波槽，不能传递叠合面之间的纵向剪力，楼板抗剪连接件按组合楼板计算也不易满足;

2)组合楼板中压型钢板，需采用防火涂料并增加相应费用，从造价上来讲，没有多大优势。钢筋桁架楼板是国内钢构公司从德国引进的一种模板加楼板体系，就是采用0.5 mm厚的镀锌钢板作为底模，上面预先制作好单向钢筋笼，然后直接作为楼板安装在钢梁上。

这两种楼板与普通混凝土楼板单比简单的价格，肯定没有优势，但比安装速度，比工厂化生产，比现代化设备焊接及现场手工捆扎钢筋，这样就占绝对的优势，省却了大量的支模工作，不仅节省了大量劳力，还减少了现场工作量，改善了工人的施工条件，现在的甲方对进度较为重视，在最短的时间内回收投资，减少风险，因此是目前比较常用的钢结构楼板。

两种楼板孰优孰劣，关于是采用钢筋桁架板还是压型钢板楼板，从结构可靠度上讲没有区别，无论是承载力还是耐火，但是概念上钢筋桁架板要比压型钢板好，特别是钢筋桁架组合楼板可改造性和可修复性要比压型钢板组合楼板好。火灾条件下如果没有达到耐火极限，火就被扑灭，那么钢筋桁架楼板可修复的概率就高于压型钢板楼板，这与是否在压型钢板中配筋无关，即便是在压型钢板底部配筋，由于压型钢板破坏，虽然承载力可以修复，但外观也是难以修复的，而钢筋桁架板底板是平的，对层高和天花板处理均有利;从结构计算角度来讲，普通的压型钢板楼板由于垂直于板肋方向钢筋无法布置，只能按单向板计算，而钢筋桁架底模的钢板几乎没有肋，通过增加一个方向的配筋就可以形成双向板，可以减小板厚，增大跨度，受力模式更加合理，但楼板型号不可能选得太多，不如压型钢板灵活，配筋要考虑模数，配筋量大，稍有浪费;钢筋桁架板因无相关的国家、行业规范，在设计过程中设计师不好操作，有顾虑;普通的压型板有较为成熟的规范，能普遍的被设计单位接受;从施工安装角度来讲，由于钢筋桁架板每块板的重量相对较大，人工铺板较困难，需要塔机配合。由于钢筋桁架骨架的存在，做到施工时不设临时支撑的跨度更大一些，次梁少，现场钢筋绑扎量少，钢筋排列均匀，上下层钢筋间距及钢筋保护层厚度有可靠保证，但现场钢筋绑扎相对压型钢板楼板比较困难。在雨季施工时，桁架模板钢筋会有锈蚀，钢筋除锈工作量不小。还有钢筋桁架板供应厂家比较少，目前主要集中在长江三角洲和京津唐地区，运输比较麻烦，因运输距离造成的成本不能忽视，而压型钢板由于非常轻便，堆放、运输及安装都非常方便，这方面优势相对比较明显。

2 钢柱

目前纯钢框架采用的钢柱主要有圆钢管柱，H形钢柱，十字形柱，箱形柱。圆钢管柱由于节点麻烦，同建筑平立面不好配合，实际工程中只是在建筑中局部使用;H型钢柱由于弱轴方向的力学性能相对于强轴有较大差距，不太适用于框架的受力。一般在弱轴方向设置支撑体系，做成“框架—支撑结构”(这种结构体系不是本文讨论的范畴)。

H型钢柱弱轴长细比、腹板的宽厚比、结构整体弱轴方向的刚度及节点域在结构计算中都不容易满足，而且弱轴与钢梁连接节点也比较麻烦，因此在跨度较大，层高较大，层数较高的高烈度区框架结构体系中很少使用。

十字形柱没有弱轴，破坏模态属于局部屈曲的塑性破坏，且塑性变形主要发生在弯矩作用平面的翼缘上。其受弯承载力、延性及抗震承载力较好，但与圆管柱、箱形柱比，其抗扭性能较差，特别是在高轴压比下变形很快，一般与钢筋混凝土组合形成型钢混凝土组合柱受力性能更好。考虑到本身截面特性使得腹板不易出现塑性铰，钢规和抗规只对工字形和箱形柱的腹板高厚比有要求，对十字柱没有要求，腹板板厚可以做的很薄，节省材料。十字柱是属于异型柱范围，具体工艺要根据实际的设计来确定，一般的情况下，首先可以将十字柱拆成一个工字和两个T形分别加工，其工艺要严格按这两种构件的工艺标准进行，然后加隔板进行组焊，十字柱的难点就是在最后的这一道工序，其工艺要视具体设计尺寸和要求来定，对隔板要求进行铣加工或使用数控下料以保证90°角。由于内侧有两道腹板，截面特性造就了十字形柱受弯承载力没有充分发挥，外侧的翼缘也不能做的太宽，一则因为是在烈度区宽厚比的要求，翼缘过宽板厚就得加厚，材料比较浪费，二则是因为翼缘过宽，柱子中间的加劲板较难焊接施工;由于翼缘较窄，梁柱中心线需对齐，对于一些建筑功能布局比较紧张的房间(如楼电梯间，管井，外墙立面)难满足，其他相关建筑设备专业不好配合，对建筑限制较多。另外十字形柱由于截面内部板材较多且不封闭，导致不易涂刷防火涂料，涂刷面积较大，防火费用较高。

箱形柱由于两个方向的受力性能基本一致，更符合框架纵横向均匀受力的特性，尤其是对于双向地震作用的钢框架结构，这种特性就更为明显。箱形柱的截面宽度要比钢梁翼缘宽度大很多，在跨度不是特别大的结构中一般比较容易实现强柱弱梁，通过在节点处加宽梁翼缘，可以很容易实现强节点弱构件的要求，目前国内由于技术等因素，多采用手工组对，而箱形柱的工序较复杂，所用到的焊接方法较多，焊接越多，变形也就越大，造成的累积误差(变形和装配精度)也就大，施工不好安装。箱形柱内隔板需采用电渣焊工艺，按目前国内的水平，一般要求板厚要做到16 mm以上，过小的板厚容易烧穿，板件变形大，也就意味着箱形柱截面不能过小，小截面的箱形柱很不合算。箱形柱的制作成本相对比较高，每吨加工费用要比H型钢高出1 000元～2 000元，但箱形截面柱便于涂刷防火涂料和柱子的外包装修。

3 结语

由于钢筋桁架板和箱形柱供应厂家少，对于面积不大，功能要求不很苛刻的建筑，宜优先采用压型钢板楼板和工字形柱或者十字形柱。对于规模较大，层高要求严，建筑布局紧张，功能较复杂的建筑可以考虑采用钢筋桁架板和箱形柱，毕竟钢筋桁架板，箱形柱从受力模型上更合理，与其他专业更好配合，在当前甲方看重方案的国情下更容易实现建筑师的意图。具体到实际工程，设计师还应从造价(包括材料，人工费用)、受力特点、建筑功能规模、耐久性、防火费用及工期等各个方面做综合比较。

［1］《钢结构设计手册》编委会.钢结构设计手册［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［2］陈富生，邱国桦，范 重.高层建筑钢结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］钢结构论坛(www.okok.org).