楊光磊，郭俊杰

（1浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司重慶分公司，重慶 401123；2重慶杰地建筑設(shè)計(jì)有限公司，重慶 401121）

0 引言

大長(zhǎng)細(xì)比的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)柱能帶來輕盈、通透的建筑造型和效果。本文借助某鋼結(jié)構(gòu)景觀廊道項(xiàng)目，詳細(xì)介紹《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]（GB 50017—2017，以下簡(jiǎn)稱《鋼標(biāo)》）關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，并將其應(yīng)用于該項(xiàng)目的細(xì)長(zhǎng)柱設(shè)計(jì)過程中，分析比較鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)框架柱和細(xì)長(zhǎng)搖擺柱這兩種形式的設(shè)計(jì)方法，并就如何區(qū)分這兩類細(xì)長(zhǎng)柱的應(yīng)用場(chǎng)景給出建議[2]。

1 鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)與抗震性能化設(shè)計(jì)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（GB 50011—2010，以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）關(guān)于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的思路是，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下一般會(huì)進(jìn)入彈塑性階段，基于延性耗能的原則，設(shè)防烈度越高，房屋高度越高，需要結(jié)構(gòu)在地震過程中消耗的能量越多，延性要求就越高。因此，《抗規(guī)》通過與設(shè)防烈度和房屋高度等相關(guān)聯(lián)的抗震等級(jí)來體現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)延性的要求。一般情況下，抗震等級(jí)高，延性要求就高。針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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-低承載力”的思路進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。

但是，對(duì)于多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)，地震作用并非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，其構(gòu)件實(shí)際具有的抗震承載力很高，因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低，從而降低能耗，節(jié)省造價(jià)。這是導(dǎo)致《鋼標(biāo)》抗震設(shè)計(jì)與《抗規(guī)》慣用方法不同的關(guān)鍵所在，即《鋼標(biāo)》為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了性能化設(shè)計(jì)的另一條路——“低延性-高承載力”。

《鋼標(biāo)》17.1.1條文說明指出：滿足本章規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)無需滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011）及《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50191）中針對(duì)特定結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求和規(guī)定。因此，可按如下途徑之一進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)：

途徑1：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計(jì)，按《抗規(guī)》或《構(gòu)抗規(guī)》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；

途徑2：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計(jì)，按《鋼標(biāo)》第17章進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，尤其是一些地震作用不大、可按“低延性-高承載力”思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

2 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的核心思想，即通過“高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設(shè)計(jì)思路，在結(jié)構(gòu)的延性和承載力之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，對(duì)高延性結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬承載力要求，對(duì)高承載力結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬延性要求。

本文結(jié)合《鋼標(biāo)》第17章，將鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的步驟歸納為如圖1所示的流程圖，下文將結(jié)合這一流程圖對(duì)景觀廊道細(xì)長(zhǎng)框架柱方案的抗震性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)流程圖

3 景觀廊道細(xì)長(zhǎng)柱設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目景觀廊道（圖2）與展示中心相連，位于場(chǎng)區(qū)的較高位置，具有很好的景觀視角。方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮到其作為通向展示中心觀景的主要通道，因此對(duì)于廊道一側(cè)的通透效果有較高需求，要求結(jié)構(gòu)在視角側(cè)僅能設(shè)置非常細(xì)長(zhǎng)的柱子。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g），場(chǎng)地特征周期為0.45s，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，抗震等級(jí)為三級(jí)，層高7m。

圖2 景觀廊道效果圖

使用YJK2.0.1對(duì)其進(jìn)行建模計(jì)算，由于屋面懸挑跨度過大，在端部無柱的情況下懸挑鋼梁根部應(yīng)力比超限，為此在廊道遠(yuǎn)離懸挑根部支座一側(cè)的局部區(qū)域增設(shè)若干鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)柱（如圖3，細(xì)長(zhǎng)柱編號(hào)分別為1—7），藏于建筑裝飾柱中，協(xié)助承擔(dān)懸挑屋蓋的荷載，解決懸挑梁應(yīng)力比超限的問題。

圖3 景觀廊道YJK細(xì)長(zhǎng)柱模型

在該項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)柱的施工有兩種方案，一是細(xì)長(zhǎng)框架柱，二是細(xì)長(zhǎng)搖擺柱，下文將分別予以介紹。

3.2 細(xì)長(zhǎng)框架柱設(shè)計(jì)

《抗規(guī)》8.3.1條規(guī)定，框架柱的長(zhǎng)細(xì)比，一級(jí)不應(yīng)大于60，二級(jí)不應(yīng)大于三級(jí)不應(yīng)大于100，四級(jí)不應(yīng)大于

《鋼標(biāo)》17.3.5也給出了框架柱長(zhǎng)細(xì)比的規(guī)定，長(zhǎng)細(xì)比與“軸壓比”（Np/(Afy）和延性等級(jí)相關(guān)，相較而言，《鋼標(biāo)》的規(guī)定更加全面、合理。當(dāng)延性等級(jí)從I級(jí)至V級(jí)，即延性需求逐漸變小時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比限值增大，與《抗規(guī)》比則更放松；但當(dāng)柱“軸壓比”增大時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比限值會(huì)折減，此時(shí)可能比《抗規(guī)》更嚴(yán)格。如何在這幾個(gè)限值中尋求最優(yōu)解成為該項(xiàng)目框架柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

對(duì)于該項(xiàng)目，若按《抗規(guī)》傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，長(zhǎng)細(xì)比限值為100；若按《鋼標(biāo)》性能化設(shè)計(jì)，取性能等級(jí)為3級(jí)，延性等級(jí)為V級(jí)。分別按照兩本規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 景觀廊道細(xì)長(zhǎng)框架柱計(jì)算結(jié)果匯總

從表1結(jié)果對(duì)比可以看出：按《抗規(guī)》傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，柱子外徑需做到220，此時(shí)長(zhǎng)細(xì)比94.2已與限值100非常接近，但是應(yīng)力比卻只有0.33，說明承載力有較大富余，然而由于《抗規(guī)》嚴(yán)格的構(gòu)造規(guī)定讓柱子無法做得更細(xì)長(zhǎng)；按《鋼標(biāo)》性能化設(shè)計(jì)（高承載力低延性），將長(zhǎng)細(xì)比限值提高到180，可以將柱子截面繼續(xù)減小，最小可做到D120×5，長(zhǎng)細(xì)比為172，非常接近180的限值。

3.3 細(xì)長(zhǎng)搖擺柱設(shè)計(jì)

搖擺柱上下兩端均為鉸接，相當(dāng)于軸心受力構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沒有貢獻(xiàn)，但可以承受豎向力，為懸挑鋼梁減輕負(fù)擔(dān)。搖擺柱由于不受橫向荷載的影響，其截面可根據(jù)軸壓力和長(zhǎng)細(xì)比要求確定。搖擺柱對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力具有較好的改善效果，同時(shí)可將連接節(jié)點(diǎn)做得輕巧，當(dāng)受力不大時(shí)，搖擺柱有條件設(shè)計(jì)得極為纖細(xì)，因此在結(jié)構(gòu)本身具有足夠大的抗側(cè)向剛度的前提下，細(xì)長(zhǎng)搖擺柱也是該項(xiàng)目可選方案之一。

根據(jù)《鋼標(biāo)》第7.4.6條，搖擺柱長(zhǎng)細(xì)比限值為150，但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值不大于承載能力的50%，長(zhǎng)細(xì)比限值可放寬至200。搖擺柱設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果可以看出，搖擺柱最小可做到直徑120mm（圓管），為保證應(yīng)力比低于0.5，可取長(zhǎng)細(xì)比限值為200，需將壁厚做到20mm。當(dāng)截面直徑做到150mm及以上時(shí)，壁厚基本可以按構(gòu)造的最小值考慮。

表2 景觀廊道細(xì)長(zhǎng)搖擺柱計(jì)算結(jié)果匯總

綜合建筑效果及采購(gòu)難度，搖擺柱最終截面選擇為D150×4，能很好地“藏匿”于裝飾性的極細(xì)柱列中，達(dá)到輕盈的效果。

4 結(jié)語

（1）大長(zhǎng)細(xì)比的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)柱可通過鋼框架柱和鋼搖擺柱兩種方案得以實(shí)現(xiàn)，按性能化設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)鋼框架柱適用于需要為結(jié)構(gòu)提供一定抗側(cè)剛度的位于低烈度區(qū)且有足夠承載力富余的情形；細(xì)長(zhǎng)鋼搖擺柱適用于結(jié)構(gòu)本身有足夠的抗側(cè)剛度，僅需增加搖擺柱分擔(dān)一定豎向荷載的情形。

（2）結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的核心思想即通過 “高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設(shè)計(jì)思路，在結(jié)構(gòu)的延性和承載力之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)高延性結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬承載力要求，對(duì)高承載力結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬延性要求。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般要求具有中等或更高的延性能力，因此多是按“高延性-低承載力”的思路進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。而對(duì)于一些中低烈度區(qū)、高度不大的鋼結(jié)構(gòu)，由于具有較高的承載力，可按“低延性-高承載力”思路進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)約成本的目的。