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摘要 本文介绍了钢异型柱应用于钢结构住宅的实际工程情况。
关键词 钢异型柱，钢结构住宅
1、前言
在钢结构住宅设计中，结构体系主要是用热轧H型钢作为竖向承重构件，H型钢柱截面尺寸一般在200mm×200mm至400mm×400mm，再加上保护层和饰面，柱子在室内凸出，影响美观及使用。由此我们设想，在钢结构住宅建筑中若能使用钢异形柱，就能解决钢结构住宅建筑的室内柱角凸出问题。例如中柱用十字形截面、边柱用T形截面、角柱用L型截面，它们都由H型钢和T型钢组合而成，我们称它们为钢异形柱，如图1所示。我国现行《钢结构设计规范》第5.2条对十字形柱和T形柱给出了设计计算公式，但没有图1（c）所示L形柱的设计计算方法，有关资料查阅也未见这方面的研究报导文献。 因此，我们用弹性薄壁柱理论，开发了钢异型柱理论，尤其是L形截面柱，推导了任意开口截面柱弯扭屈曲相关方程，进而研究了L形截面柱轴向受压的承载力及其φ-λ曲线，为L形钢柱应用于钢结构住宅提供了理论依据[3]。本文将介绍钢异型柱工程应用情况。
2、工程概况
该试验楼为二层别墅，如图2、3所示，总建筑面积为336.4m2，包括卧室、餐厅、起居室，操作间、洗衣房等，体型复杂、不规则。其主体结构采用钢框架结构，现浇混凝土楼板、轻钢坡屋面，基础采用柱下独立柱基加拉梁，其结构平面布置如图4所示。
本工程底层层高为3.65m，二层层高为2.85m，抗震设防烈度为8度，场地类别为II级，基本风压为0.45kN/m2。
3、结构设计与计算
3.1 结构布置
采用钢异形柱主要是为了满足建筑要求，故设计中结构布置在满足框架结构布置的一般原则基础上，应尽量满足建筑在室内不外露柱子的要求。
在房间的角部布置L形角柱，沿外墙中部布置T形截面柱，在房间的中间根据内隔墙的具体位置布置L形柱与T形柱，并配合使用小截面H型钢和方钢管（如图4所示）。
T型柱和L型柱的截面形状如图1所示，均采用H型钢与T型钢焊接而成，这样既可取用现有的H型，降低成本，又不必对腹板进行局部屈曲验算。其截面尺寸的选用，首先根据墙宽要求，选用H型钢翼缘宽度范围，然后查H型钢表选用合适的H型钢，再根据H型钢与T型部分的尺寸关系确定截面各部分的尺寸，并将H型钢与T型截面在工厂进行焊接及相关处理，得到L形截面柱和T形截面柱。
梁宽与柱翼缘同宽，梁高根据计算承载力需要及型钢表选用。由于本试验楼体型不规则，且建筑要求在室内不露梁，从而使某些地方钢梁不能贯通，降低了结构整体刚度。为解决这一问题，本设计中根据需要设计了一定数量的钢筋混凝土暗梁在现浇钢筋混凝土楼板中，以加强结构整体刚度，并降低钢柱的计算长度系数和弯曲应力。
外围墙体外侧采用珠穆朗玛新型建材有限公司开发的100厚保温墙板，内侧根据需要砌一定厚度的加气混凝土砌块，并在钢柱处用保温绝热材料进行填充，阻止热桥效应，如图5所示。内墙采用100厚加气混凝土砌块。这种双层墙体建筑体系具有很多优点，而且施工也简单。
屋面为轻钢坡屋面，在轻钢骨架上铺屋面板。
3.2 结构计算
结构计算采用中国建筑科学研究院开发的PKPM系列结构分析程序，用STS进行结构模型的输入，用SATWE进行结构分析计算。
L形异形钢柱在STS中建模时，按等效刚度的原则用型钢代替，并尽量使其截面面积比较接近。由于L形柱对工程轴坐标两个方向的刚度非常接近，故设计中选用矩形钢管或方钢管代替L形柱。这样结构总刚度与各柱刚度基本与原结构一致，从而使各柱分配到的力与原结构也基本一致，且轴压比也与原结构基本一致。
在STS中建模后，通过在SATWE中进行分析计算，即可得到各荷载工况下各柱的内力和轴压比(如图6所示)，以及楼层的层间位移角（见表1）。
表1 各工况作用下最大层间位移角
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X向地震力作用 |
Y向地震力作用 |
X向风荷载作用 |
Y向风荷载作用 |
| 最大层间位移角 |
1/1042 |
1/1335 |
1/6122 |
1/6808 |
3.3 L形柱截面应力校核
由于整体计算中L形钢柱采用的是等效刚度法进行等效代换，故在以上各项满足规范要求的前提下，还需对各柱强度（截面应力）和稳定进行验算。验算方法为，将PKPM整体结构计算得到的内力  分别代入[3]所推导的L形柱压弯稳定公式和强度公式进行验算。由于目前计算软件没有L型钢构件设计功能，需要根据文献3的公式验算。
3.4 构造措施
由于结构整体刚度较小，楼层侧移较大，而增大柱截面又不经济，故本试验楼采用一定数量支撑的方法来提高结构整体刚度，降低侧移量。
4、总结
综上所述，与普通钢框架结构相比，钢异形柱框架结构体系在结构布置中联合使用L形柱、T形柱、十字形柱、H型钢和方钢管柱，使钢柱不外露到室内。经计算，12层以内都可做到室内不漏柱，高层建筑可少漏柱。我们所研究的钢异型柱是由H型钢组合而成的，其翼缘具有“边缘约束构件”效果，抗扭效果好。
另外，双层墙体的应用较好地解决了其他建筑和热工问题以及抗侧力问题。在钢筋混凝土现浇楼板中用暗梁或反梁也能解决复杂的平面建筑问题。
欢迎感兴趣的同行进行更深入的讨论。
参考文献
[1]. 陈骥，钢结构稳定理论与设计，科学出版社.2001
[2]. 中华人民共和国国家标准，《钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]. 王明贵、张莉若、谭世友，钢异形柱弯扭相关屈曲研究，《钢结构》2006.4
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