某景观廊道钢结构细长柱设计研究

杨光磊，郭俊杰

（1浙江绿城建筑设计有限公司重庆分公司，重庆 401123；2重庆杰地建筑设计有限公司，重庆 401121）

0 引言

大长细比的钢结构细长柱能带来轻盈、通透的建筑造型和效果。本文借助某钢结构景观廊道项目，详细介绍《钢结构设计标准》[1]（GB 50017—2017，以下简称《钢标》）关于钢结构性能化设计的相关理论，并将其应用于该项目的细长柱设计过程中，分析比较钢结构细长框架柱和细长摇摆柱这两种形式的设计方法，并就如何区分这两类细长柱的应用场景给出建议[2]。

1 钢结构传统抗震设计与抗震性能化设计

《建筑抗震设计规范》[3]（GB 50011—2010，以下简称《抗规》）关于传统抗震设计的思路是，钢筋混凝土结构在设防烈度地震作用下一般会进入弹塑性阶段，基于延性耗能的原则，设防烈度越高，房屋高度越高，需要结构在地震过程中消耗的能量越多，延性要求就越高。因此，《抗规》通过与设防烈度和房屋高度等相关联的抗震等级来体现对结构延性的要求。一般情况下，抗震等级高，延性要求就高。针对钢筋混凝土结构，一般都要求具有中等或更高的延性能力，因此多是按“高延性-低承载力”的思路进行性能化设计。

但是，对于多数钢结构，地震作用并非结构设计的主要控制因素，其构件实际具有的抗震承载力很高，因此抗震构造可适当降低，从而降低能耗，节省造价。这是导致《钢标》抗震设计与《抗规》惯用方法不同的关键所在，即《钢标》为钢结构设计提供了性能化设计的另一条路——“低延性-高承载力”。

《钢标》17.1.1条文说明指出：满足本章规定的钢结构无需满足现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011）及《构筑物抗震设计规范》（GB 50191）中针对特定结构的构造要求和规定。因此，可按如下途径之一进行钢结构抗震设计：

途径1：按《钢标》进行静力设计，按《抗规》或《构抗规》进行抗震设计；

途径2：按《钢标》进行静力设计，按《钢标》第17章进行抗震设计，尤其是一些地震作用不大、可按“低延性-高承载力”思路进行设计的结构。

2 钢结构抗震性能化设计

钢结构抗震性能化设计的核心思想，即通过“高延性-低承载力”或“低延性-高承载力”的抗震设计思路，在结构的延性和承载力之间找到一个平衡点，达到最优设计，对高延性结构可适当放宽承载力要求，对高承载力结构可适当放宽延性要求。

本文结合《钢标》第17章，将钢结构性能化设计的步骤归纳为如图1所示的流程图，下文将结合这一流程图对景观廊道细长框架柱方案的抗震性能化设计进行介绍。

图1 钢结构性能化设计流程图

3 景观廊道细长柱设计

3.1 项目概况

该项目景观廊道（图2）与展示中心相连，位于场区的较高位置，具有很好的景观视角。方案设计时考虑到其作为通向展示中心观景的主要通道，因此对于廊道一侧的通透效果有较高需求，要求结构在视角侧仅能设置非常细长的柱子。该项目设计基准期50年，安全等级为二级，抗震设防烈度为8度（0.20g），场地特征周期为0.45s，建筑场地类别Ⅱ类，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为第三组，抗震等级为三级，层高7m。

图2 景观廊道效果图

使用YJK2.0.1对其进行建模计算，由于屋面悬挑跨度过大，在端部无柱的情况下悬挑钢梁根部应力比超限，为此在廊道远离悬挑根部支座一侧的局部区域增设若干钢结构细长柱（如图3，细长柱编号分别为1—7），藏于建筑装饰柱中，协助承担悬挑屋盖的荷载，解决悬挑梁应力比超限的问题。

图3 景观廊道YJK细长柱模型

在该项目中，结构细长柱的施工有两种方案，一是细长框架柱，二是细长摇摆柱，下文将分别予以介绍。

3.2 细长框架柱设计

《抗规》8.3.1条规定，框架柱的长细比，一级不应大于60，二级不应大于三级不应大于100，四级不应大于

《钢标》17.3.5也给出了框架柱长细比的规定，长细比与“轴压比”（Np/(Afy）和延性等级相关，相较而言，《钢标》的规定更加全面、合理。当延性等级从I级至V级，即延性需求逐渐变小时，长细比限值增大，与《抗规》比则更放松；但当柱“轴压比”增大时，长细比限值会折减，此时可能比《抗规》更严格。如何在这几个限值中寻求最优解成为该项目框架柱设计的关键。

对于该项目，若按《抗规》传统抗震设计，长细比限值为100；若按《钢标》性能化设计，取性能等级为3级，延性等级为V级。分别按照两本规范进行设计，计算结果如表1所示。

表1 景观廊道细长框架柱计算结果汇总

从表1结果对比可以看出：按《抗规》传统设计时，柱子外径需做到220，此时长细比94.2已与限值100非常接近，但是应力比却只有0.33，说明承载力有较大富余，然而由于《抗规》严格的构造规定让柱子无法做得更细长；按《钢标》性能化设计（高承载力低延性），将长细比限值提高到180，可以将柱子截面继续减小，最小可做到D120×5，长细比为172，非常接近180的限值。

3.3 细长摇摆柱设计

摇摆柱上下两端均为铰接，相当于轴心受力构件，对结构侧向刚度没有贡献，但可以承受竖向力，为悬挑钢梁减轻负担。摇摆柱由于不受横向荷载的影响，其截面可根据轴压力和长细比要求确定。摇摆柱对整体结构的受力具有较好的改善效果，同时可将连接节点做得轻巧，当受力不大时，摇摆柱有条件设计得极为纤细，因此在结构本身具有足够大的抗侧向刚度的前提下，细长摇摆柱也是该项目可选方案之一。

根据《钢标》第7.4.6条，摇摆柱长细比限值为150，但当构件内力设计值不大于承载能力的50%，长细比限值可放宽至200。摇摆柱设计计算结果如表2所示。

从表2结果可以看出，摇摆柱最小可做到直径120mm（圆管），为保证应力比低于0.5，可取长细比限值为200，需将壁厚做到20mm。当截面直径做到150mm及以上时，壁厚基本可以按构造的最小值考虑。

表2 景观廊道细长摇摆柱计算结果汇总

综合建筑效果及采购难度，摇摆柱最终截面选择为D150×4，能很好地“藏匿”于装饰性的极细柱列中，达到轻盈的效果。

4 结语

（1）大长细比的钢结构细长柱可通过钢框架柱和钢摇摆柱两种方案得以实现，按性能化设计的细长钢框架柱适用于需要为结构提供一定抗侧刚度的位于低烈度区且有足够承载力富余的情形；细长钢摇摆柱适用于结构本身有足够的抗侧刚度，仅需增加摇摆柱分担一定竖向荷载的情形。

（2）结构性能化设计的核心思想即通过 “高延性-低承载力”或“低延性-高承载力”的抗震设计思路，在结构的延性和承载力之间找到一个平衡点，达到最优设计结果，对高延性结构可适当放宽承载力要求，对高承载力结构可适当放宽延性要求。对于钢筋混凝土结构，一般要求具有中等或更高的延性能力，因此多是按“高延性-低承载力”的思路进行性能化设计。而对于一些中低烈度区、高度不大的钢结构，由于具有较高的承载力，可按“低延性-高承载力”思路进行性能化设计，达到节约成本的目的。