格构柱的设计与分析

关键词：格构柱 设计 双槽钢 缀板 

　　格构柱属于压弯构件，多用于厂房框架柱和独立柱，优点在于很好的节约材料；截面一般为型钢或钢板设计成双轴对称或单轴对称的截面。格构体系构件由肢件和缀材组成。格构柱可能是主要的应用形式，有缀条柱和缀板柱。格构柱的主要思想是：将材料面积向距离惯性轴远的地方布置，能保证相同轴向抗力条件下增强构件抗弯性能，并且节省材料。格构式受压构件分肢通常采用槽钢和工字钢，构件截面具有对称轴。当构件轴心受压丧失整体稳定时，不大可能发生扭转屈曲和弯扭屈曲，往往发生绕截面主轴的弯曲屈曲。因此计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，只需计算绕截面实轴和虚轴抵抗弯曲屈曲的能力。格构式轴心受压构件绕实轴的弯曲屈曲情况与实腹式轴心受压构件没有区别，因此其整体稳定计算也相同，可按b类截面进行计算。 

　　格构式轴心受压构件的分肢既是组成整体截面的一部分，在缀件节点之间又是一个单独的实腹式受压构件。所以，对格构式构件除需作为整体计算其强度、刚度和稳定外，还应计算各分肢的强度、刚度和稳定，且应保证各分肢失稳不先于格构式构件整体失稳。 

　　格构式轴心受压构件的分肢承受压力，应进行板件的局部稳定计算。分肢常采用轧制型钢，其翼缘和腹板一般都能满足局部稳定要求。 

　　当缀件采用缀条时，格构式构件的每个缀件面如同缀条与构件分肢组成的平行弦桁架体系，缀条可看作桁架的腹杆，其内力可按铰接桁架进行分析。 

　　为了提高格构式构件的抗扭刚度，保证运输和安装过程中截面几何形状不变，以及传递必要的内力，在受有较大水平力处和每个运送单元的两端，应设置横隔，构件较长时还应设置中间横隔。横隔的间距不得大于构件截面较大宽度的9倍或8 m。 

　　1 格构柱的设计步骤 

　　（1）格构柱的设计主要包括以下内容：①选择截面形式，确定钢号。②估算截面尺寸，估算计算长度，计算内力。③验算强度、刚度、整体稳定性、分肢稳定性、缀材计算。 

　　（2）强度计算：绕虚轴（x轴）弯曲不考虑塑性发展 

　　。 

　　（3）刚度验算：绕虚轴（x轴）换算长细比λ0x<[λ]。 

　　（4）整体稳定性包括平面内的稳定性和平面外的稳定性。 

　　①弯矩绕虚轴（x轴）作用①平面内稳定性 

　　格构柱中部是空心的，发展塑性变形潜力不大，γx=1.0 用换算长细比λ0x 计算φx，NEX ，为较大受压分肢的轴线或腹板外边缘到x轴的距离，取其较大者。 

　　槽钢翼缘肢尖向内（a）y0：从x轴到较大压力柱肢腹板边缘距离。槽钢翼缘肢尖向外（b）y0：从x轴到较大压力柱肢轴线距离（考虑部分发展塑性）。 

　　②弯矩绕虚轴作用的压弯构件，在弯矩作用平面外的整体稳定性一般由单肢的稳定计算得到保证，不必再验算整个构件在平面外整体稳定性。 

　　③分肢稳定性计算 

　　按轴心压杆计算绕自身两个主轴的稳定性分肢在平面内的计算长度取相邻缀条节间的距离，平面外计算长度取整个构件侧向支撑点距离：绕1-1轴：计算长度L01=缀条节间距离，绕y-y轴：计算长度 L0y=侧向支撑间距， 弯矩绕实轴（y轴）作用：①平面内稳定性计算与实腹式相同 

　　②平面外稳定性计算与实腹式相同，用换算长细比λ0x计算φx，取φb=1 

　　④缀条计算 

　　按照《钢规》5.1.6条柱的剪力：，每个缀材平面内的剪力：。缀条时，缀条强度需满足：，长细比。 

　　缀板时一般受弯构件设计，但因剪力弯矩较小可按构造设计。缀板构造设计要点：同一截面处缀板（或采用型钢的横杆）线刚度之和不得小于柱肢线刚度的6倍。如果柱截面接近正方形，且x和y方向的长细比又接近相等时，可取b1≥2a/3，t≥a/40且≥6 mm，b1-缀板宽度，a-肢件间距离（形心轴至形心轴），t-缀板厚度。缀板用角焊缝与柱肢连接，搭接长度20～30 cm。应设置横隔，间距不大于8 m且不大于杆件较大宽度的9倍，每个运送单元不少于2个。 

　　2 实例计算 

　　某工程一缀板式双肢槽钢格构式柱，柱高6 m，两端铰接，柱顶轴力设计值1450 kN，采用Q235B钢材，屈服强度f=215 N/m2， 

　　抗剪强度fv=125 N/mm2，弹性模量E=2.06e5 N/mm2。 

　　2.1 按实轴（y轴）的稳定条件确定分肢截面尺寸 

　　假定，按Q345钢b类截面从附表4.2查得φ=0.863。所需截面面积和回转半径分别为：，初选 

　　2[18b，截面形式如图所示。实际A=2×29.3=58.6cm2，iy=6.84cm，i1=1.95cm，Z0=1.84cm，I1=111cm4。验算绕实轴稳定：，满足。查表得φ=0.841（b类截面）。，满足。 

　　2.2 按绕虚轴（x轴）的稳定条件确定分肢间距 

　　取λ1=22，基本满足λ1<0.5λmax=0.5×43.86=21.93且不大于40的分肢稳定要求。按等稳定原则λox=λy，得： 

　　取h=32cm 

　　两槽钢翼缘间净距=320-2×70=180 mm>100 mm，满足构造要求。 

　　验算虚轴稳定：缀板净距 

　　，取43 cm。 

　　查表得φ=0.826（b类截面）。 

　　λmax=47.43，λ1=22.05<0.5λmax=23.72和40，满足规范规定。所以无须验算分肢刚度、强度和整体稳定；分肢采用型钢，也不必验算其局部稳定。至此可以认为所选截面满意。 

　　2.3 缀板设计 

　　初选缀板尺寸：纵向高度hb>2c/3，=2×28.32/3=18.88 cm，厚度t b>c/40=28.32/40=0.71，取h b x t b=200×8。 

　　相邻缀板净距l01=43cm，相邻缀板中心距L1=L01+hb=43+20=63cm

　　柱的剪力V=26313N，每个缀板面剪力V1=13157 N 

　　弯矩Mb1=V1L1/2=13157×63/2=414446 N*cm 

　　剪力 Vb1= V1L1/c=13157×63/28.32=29269 N 

　　满足缀板的要求。 

　　2.4 缀板焊缝计算： 

　　采用三面周围角焊缝。计算时可偏于安全的仅考虑端部纵向焊缝，按构造要求取焊缝尺寸hf=6 mm，lw=200 mm。则Ar=0.7×0.6×20=8.4cm2， 

　　Wr=1/6×0.7×0.6×202=28cm3在弯矩Mb1和剪力Vb1共同作用下焊缝的应力为： 

　　参考文献 

　　[1] 陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京，科学出版社，1987：91-95. 

　　[2] 钢结构设计规范（GB50017-2003）及条文说明[M].北京，中国计划出版社，2009.