【钢结构·技术】超大长细比钢结构柱如何实现？

7.4.6  验算容许长细比时，可不考虑扭转效应，计算单角钢受压构件的长细比时，应采用角钢的最小回转半径，但计算在交叉点相互连接的交叉杆件平面外的长细比时，可采用与角钢肢边平行轴的回转半径。轴心受压构件的容许长细比宜符合下列规定：

1）跨度等于或大于60m的桁架，其受压弦杆、端压杆和直接承受动力荷载的受压腹杆的长细比不宜大于120。

2）轴心受压构件的长细比不宜超过表7.4.6规定的容许值，但当杆件内力设计值不大于承载能力的50％时，容许长细比值可取200。

表7.4.6 受压构件的长细比容许值

【条文说明】7.4.6构件容许长细比的规定，主要是避免构件柔度太大，在本身自重作用下产生过大的挠度和运输、安装过程中造成弯曲，以及在动力荷载作用下发生较大振动。对受压构件来说，由于刚度不足产生的不利影响远比受拉构件严重。

调查证明，主要受压构件的容许长细比值取为150，一般的支撑压杆取为200，能满足正常使用的要求。考虑到国外多数规范对压杆的容许长细比值的规定均较宽泛，一般不分压杆受力情况均规定为200，经研究并参考国外资料，在第2款中增加了内力不大于承载能力50％的杆件，其长细比可放宽到200。相比原规范，本条适当增加了容许长细比为200的构件范围。

7.4.7  验算容许长细比时，在直接或间接承受动力荷载的结构中，计算单角钢受拉构件的长细比时，应采用角钢的最小回转半径，但计算在交叉点相互连接的交叉杆件平面外的长细比时，可采用与角钢肢边平行轴的回转半径。受拉构件的容许长细比宜符合下列规定：

1）除对腹杆提供平面外支点的弦杆外，承受静力荷载的结构受拉构件，可仅计算竖向平面内的长细比。

2）中、重级工作制吊车桁架下弦杆的长细比不宜超过200。

3）在设有夹钳或刚性料耙等硬钩起重机的厂房中，支撑的长细比不宜超过300。

4）受拉构件在永久荷载与风荷载组合作用下受压时，其长细比不宜超过250。

5）跨度等于或大于60m的桁架，其受拉弦杆和腹杆的长细比，承受静力荷载或间接承受动力荷载时不宜超过300，直接承受动力荷载时，不宜超过250。

6）受拉构件的长细比不宜超过表7.4.7规定的容许值。柱间支撑按拉杆设计时，竖向荷载作用下柱子的轴力应按无支撑时考虑。

表7.4.7 受拉构件的容许长细比

8.3.1 框架柱的长细比，一级不应大于60,二级不应大于80，三级不应大于100，四级时不应大于120。

【条文说明】8.3.1 框架柱的长细比关系到钢结构的整体稳定。研究表明，钢结构高度加大时，轴力加大，竖向地震对框架柱的影响很大。本条规定与2001规范相比，高于50m时，7、8度有所放松；低于50m时，8、9度有所加严。

建筑抗震设计规范（GB50011-2010）统一培训教材相关说明：

1)框架柱长细比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，特别是大震时的竖向地震作用下的安全，是至关重要的。抗震规范把它列为强制性条文。

本次修订，将2001规范按烈度和高度区分的执定改为按抗震等级区分，最严的要求为60，最宽的要求为120(构件长细比和板件宽厚比要求与材料的屈服强度有关、为了方便起见，以下介绍均取屈服强度为235N/m2时的值。不同屈服强度的值可简单换算，具体见规范表、与2001规范的规定相同;中间的情况略有调整应当指出，框架桂的抗震设计还包括应满足强柱弱梁要求等，在很多情况下根据强柱弱梁要求，按长细比限值确定的柱截面可能不够，此时必须增大柱截面。

陈绍蕃大师在《钢构件容许长细比刍议》一文中对长细比谈了几点认识：

1）从钢标7.4.6~7相关条文可知, 对非抗震结构中构件长细比的限制不属于承载能力范畴。容许长细比的数值来源于工程经验而不是对承载能力的解析,它的实质是构件的刚度指标。

2）如果从“避免构件柔度太大，在本身自重作用下产生过大的挠度和运输、安装过程中造成弯曲，以及在动力荷载作用下发生较大振动”这个角度，杆件的长细比可以区分为几何长细比和计算长细比。前者以构件的几何长度 L为准, 即 K=L/i; 后者以构件的计算长度 l0 = L*μ 为准, 即 K=  L*μ/i。容许长细比不在承载能力范畴之内, 以几何长细比为准似应比计算长细比更为恰当。

3）规范规定存在的一个问题是对受压构件，是否包括压弯构件没有明确说明。一般理解是规定的限值同样适用于轴心受压构件和压弯构件。但规范对受弯构件并未规定长细比限值, 而压弯构件介于轴心压杆和受弯构件之间, 和轴心压杆同样要求, 未必合理。

4）初步意见是对于非抗震设防的框架柱, 可以不规定长细比限值。03 规范已经从两个方面制约了框架柱的长细比, 其一是稳定计算的要求, 长细比过大则稳定计算通不过, 其二是对框架水平位移的控制。前者属于承载力问题, 后者则是刚度要求。03 规范对结构变形的规定由过去的硬性要求改为设计者可以适当灵活处理, 只用框架水平位移控制其刚度似乎已经足够了。

5）部分构件限制长细比,实质是为了确保剩余刚度从而为其余构件的稳定提供支援作用。因此要求对于为其他构件的稳定提供支援作用的构件,如桁架的下弦杆、减小杆件计算长度的侧向支撑等,应保证其具有足够的剩余刚度,需按《钢标》控制长细比。

童根树老师在《钢结构与钢-混凝土组合结构设计理解与应用》一书中指出，框架柱的延性与长细比、轴压比、构件宽厚比等都有关系，通过分析 框架柱的长细比和轴压比较大,延性和耗能能力就比较差，但《抗规》 中框架柱的容许长细比未与轴压比发生联系,似有不妥。

童根树老师在《钢结构与钢-混凝土组合结构设计理解与应用》一书建议框架柱的容许长细比与轴压比发生联系,相关控制标准如表1。

为满足建筑效果,建筑师常希望摇摆柱、框架柱、钢支撑等构件尽量纤细,突破规范关于容许长细比的规定。结构师也常困惑于较小的应力比下能否突破规范关于容许长细比的规定。

周佳、童根树在《钢结构与钢-混凝土组合结构设计理解与应用》——稳定和长细比 一文中指出：《钢标》17. 1. 4 条规定,随构件承载性能等级的提高,构件的延性等级降低。《抗规》8. 1. 3 条规定,当构件的承载力满足 2 倍小震作用下的荷载组合时,抗震等级可以降低一级。《钢标》、《抗规》均体现“高承载力-低延性”的抗震设计思路。建议当构件的承载力满足3 倍小震作用下的荷载组合时,无需关注钢构件在弹塑性状态下的延性性能。因此,当构件的承载力满足 3 倍小震作用下的荷载组合时,可不再拘泥于抗震时的容许长细比要求。

1）陈绍蕃 钢构件容许长细比刍议

2）周佳、童根树《钢结构与钢-混凝土组合结构设计理解与应用》——稳定和长细比 

3）童根树 《钢结构与钢-混凝土组合结构设计理解与应用》

4）关于杆系钢结构稳定设计的若干问题讨论_黄卓驹