单层钢结构框架柱长细比设计探讨

朱张军　刘磊

摘要：单层钢结构框架的设计在工程设计中比较常见。为了能保证建筑师设计结构形式的美观，通常会要求钢柱尽可能做细做小，使得钢柱的长细比难以满足规范要求，由于单层铜结构荷载不大，钢柱强度一般不控制结构设计，通常是钢柱长细比构造要求控制钢柱截面的选择。因此。本文对单层钢结构框架柱长细比设计要求简作论述，以尽可能在满足规范要求的前提下。达到建筑师的效果要求。

关键词：单层钢结构框架柱；长细比；规范效果

引言

《建筑抗震设计规范GBS0011-2010统一培训教材》指出：钢结构框架柱的最大长细比是为了保证结构在计算中未考虑的作用力。我国在钢设计规范中。对于细长比的控制一般是按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的要求来计算。实际工程设计中，如何正确理解细长比控制要求。合理进行钢柱设计。是值得探讨的问题。

1.单层钢结构框架体系

单层钢框架结构由钢柱及钢梁通过节点刚接连接形成。钢柱截面一般为实腹式截面，通常为工型、方钢管、圆钢管等，钢梁一般为工字钢梁或箱型钢梁。单层刚接框架的钢柱通常为偏心受压柱，受力状态比较复杂。同时承受轴向压力、弯矩以及剪力。设计计算时，钢柱截面应满足强度、刚度、稳定和长细比限制等要求。截面的各组成部件还应满足局部稳定的要求。

因此。为满足强度设计要求。钢柱的最大组合应力不应超过钢材的设计强度。对轴心受压柱。轴心压力在截面内引起均匀的受压正应力不超过钢材的强度设计值：对复杂受力状态下的框架钢柱。要求其最大组合应力不应超过钢材的设计强度。实腹柱轴心受压时。当压力增加到一定大小。柱会由直线平衡状态突然向刚度较小的侧向发生弯曲。有时也可能发生突然扭转、或同时发生弯曲和扭转；如压力再稍增加，则弯曲、扭转或弯扭变形随即迅速加大。从而使柱失去承载能力的现象称为柱整体丧失稳定。并按其失稳变形的情况分别称为弯曲失稳、扭转失稳或弯扭失稳。上述论述的情况。即为钢柱设计的稳定问题。稳定常常会成为细长钢柱设计的控制工况。即柱在强度到达极限状态前就会丧失稳定。轴心受压柱丧失稳定的三种情况中。最常见的是弯曲失稳。影响柱弯曲失稳临界应力的主要因素是柱的长细比。亦即柱的计算长度与截面回转半径的比值。对给定的钢材。柱愈长或愈细。即长细比愈大。则临界应力愈小。愈易弯曲失稳。柱在两个主轴x和v轴方向的长细比不相等时。其弯曲失稳总是顺着刚度较弱、即长细比较大的方向发生。

框架钢柱暨偏心受压柱同时承受轴心压力和弯矩。由于弯矩的作用。柱在弯矩作用平面内一开始就有弯曲变形。如轴心压力和弯矩同时逐渐增大。弯曲变形也相应逐渐增大。但当荷载增加到一定大小时。即使保持荷载不变甚至逐渐减小。而变形却会继续迅速增大。这时柱已失去承载能力。这个现象称为偏心受压柱在弯矩作用平面内丧失稳定。属弯曲失稳。如果柱的侧向刚度较小且侧向支承较差。当荷载增加到一定大小时。柱除在弯矩作用平面内弯曲外。在侧向也可能从其原有平面突然向外弯曲，同时发生扭转，随即弯扭变形迅速加大。使柱失去承载能力的现象称为框架钢柱在弯矩作用平面外丧失稳定。属弯扭失稳。

当实腹柱的腹板、翼缘板或其他组成部件的厚度相对较小时。可能在柱丧失整体稳定前的较小荷载下产生局部屈曲。即受压的腹板或翼缘板偏离其原来的平面位置而发生波状翘曲的现象称为柱丧失局部稳定。柱的局部丧失稳定后，使柱的受力状况恶化，有可能导致柱较早地丧失整体稳定。为使钢柱各组成部件有足够的局部稳定性。通常按板件的应力和支承等情况限制其宽厚比不超过一定数值。

钢柱的长细比不应超过规范的要求。因为长细比过大会产生较多不利影响：一是在运输和安装过程中，可能因刚度过小而造成弯曲：二是使用期间会因自重或横向荷载作用明显下垂：三是长细比过大会产生过大的初弯曲。对整体稳定带来不利的影响。

2.设计算例

钢柱长细比控制是《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）强制性条文。不能随意突破。那怎样将钢柱尽量做细做小呢？其一是尽量减小柱子的计算长度。通过钢柱柱底固结。整体结构尽量做成无侧移框架，尽可能减小柱子的计算长度；其二是《建筑抗震设计规范》第8.1.3条注2指出：一般情况下，构件的抗震等级应与结构相同。当某个部位各构件的承载力均满足2倍地震作用组合下的内力要求时。7-9度的构件抗震等级应允许降低一度确定。相应的条文说明亦明确说明：不同的抗震等级。体现不同的延性要求。可借鉴国外相应的抗震规范。如欧洲Eurocode8、美国AISC，日本BCJ的高、中、低等廷陛要求的规定。而且。按抗震设计等能量的概念。当构件的承载力明显提高，能满足烈度高一度的地震作用的要求时。延性要求可适当降低。故允许降低其抗震等级。这意味着：当按提高一度的地震内力进行构件抗震承载力（包括强度和稳定）的验算通过时。则可按降低一度确定的抗震等级检查该构件的延性构造要求。

3.结论

单层钢结构框架，由于层数少。荷载小。且钢材承载能力较大。一般强度及稳定问题不控制柱子截面大小。构造要求的长细比要求常限制了柱子的截面大小。为满足建筑师把柱子尽可能做小做细的要求。本文通过对单层钢结构框架柱长细比设计分析，可以为类似工程设计提供借鉴。当然，钢柱仅满足长细比要求是不够的。更要满足钢柱与钢梁节点设计的要求甚至强柱弱梁的要求等。