多高层钢结构外包式柱脚设计要点分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：卢元山（1990）,男，汉族，江西吉安人，本科学历，设计师，设计方向为结构设计。-115-多高层钢结构外包式柱脚设计要点分析 卢元山 江西省建筑设计研究总院集团有限公司，江西 南昌 330000 摘要：摘要：近年来，随着城市化进程的不断加速和建筑技术的不断创新，多高层建筑已成为城市建设的主要特征之一。而多高层钢结构作为一种具有轻质、高强、施工速度快等优势的结构形式，逐渐成为大型建筑项目中的首选。在多高层钢结构中，外包式柱脚作为支撑结构的重要组成部分，其设计质量直接关系到整体结构的安全性、可靠性和经济性。随着建筑高度的增加和结构形式的多样化，外包式柱脚的设计面临着更为复杂和严峻的挑战。设计人员需要考虑诸多因素，包括荷载承受能力、抗震性能、耐久性以及施工的可行性等。为了更好地解决这些问题，需要深入研究外包式柱脚设计的要点，结合最新的理论成果和实践经验，提出切实可行的设计方案。关键词：关键词：多高层钢结构；外包式柱脚；设计 中图分类号：中图分类号：TU391 本论文旨在深入探讨多高层钢结构外包式柱脚设计的要点，并通过对相关理论、实践经验以及最新技术的综合分析，提出一套有效的设计方案。外包式柱脚作为多高层钢结构中的重要组成部分，直接关系到结构的稳定性、安全性和经济性。通过对外包式柱脚设计的要点进行详细研究，有望为多高层钢结构的设计与施工提供有益的参考和指导。1 多高层钢结构的特点 多高层钢结构的兴起标志着建筑技术的巨大飞跃。这类建筑在技术方面呈现出许多独特而引人注目的特点。首先，多高层钢结构以其轻量、高强的材料特性脱颖而出。高度优越的抗拉和抗压性能，使得这类结构在承受重大垂直和水平荷载时表现卓越。此外，钢结构的优越可塑性和可锻性，使得设计师能够更加自由地创造出独特的建筑形态，充分体现了技术的灵活性和创新性；其次，多高层钢结构在施工技术上迎来了一系列创新。现代的建筑技术不再满足于传统的砖石结构，而是通过预制技术、模块化设计和先进的起重设备，实现了高层建筑的快速而高效的建造。这种施工方式大大缩短了建筑周期，降低了施工风险，同时也为工程管理提供了更为可控的手段；最后，多高层钢结构在可持续性方面也表现出技术的创新。材料的循环利用、能源的高效利用、以及对环境友好的设计理念，使得这类建筑不仅在短期内具有经济性，更在长期内减少了对自然资源的过度消耗。技术的进步推动了建筑业向更加可持续和环保的方向发展，多高层钢结构成为了这一变革的杰出代表。2 外包式柱脚基本原理分析 外包式柱脚作为多高层钢结构的关键组成部分，其设计理念融合了先进的工程技术和结构原理，呈现出独特的技术特点。其中，外包式柱脚在结构构造上体现了出精妙的设计，主要是通过将柱脚的承载作用外包给外围的结构构件，使其在承受荷载的同时更充分地发挥了其自身材料的性能。这一原理不仅充分利用了材料的强度和刚度，还减小了柱脚截面尺寸，从而使结构更加轻巧、经济。与此同时，荷载传递机制是外包式柱脚设计的核心。通过合理的结构连接，外包式柱脚将上部结构的荷载迅速传递至底部，然后再通过底部的基础传递到地基，实现了荷载的有效传递和分布。这种机制使得结构在承受垂直和水平荷载时表现出卓越的稳定性和安全性。在抗震设计中，荷载传递机制的巧妙应用更是为结构的整体抗震性能提供了坚实的保障。分析外包式柱脚的功能和作用，不仅仅是起到支撑上部结构的作用，更能够在建筑形态设计上发挥重要作用。通过合理设计外包式柱脚的形状和布局，可以使其成为建筑的装饰性元素，为整体建筑增色添彩。在功能上，外包式柱脚还可用于隐藏管线和设备，使建筑外观更加整洁，提高空间的利用效率1。3 多高层钢结构外包式柱脚设计要点 3.1 钢柱和外包混凝土的共同工作 中国科技期刊数据库 工业 A-116-表 1 外包式柱脚材料性能对比 材料 强度（MPa）弹性模量（GPa）可塑性 耐久性 高强度结构钢 45-460 200-210 高 良好 高性能混凝土 40-80 30-50 适中 优越 在多高层钢结构中，外包式柱脚的设计涉及到钢柱与外包混凝土的共同工作，这种协同工作在提高结构整体性能、优化材料利用和降低成本方面发挥着至关重要的作用。首先，在外包式柱脚的设计中，钢柱和外包混凝土是两种主要的结构材料。对于钢柱，首先要考虑其强度、刚度和可塑性等机械性能。一般而言，采用高强度的结构钢，如 Q345 或 Q460，以确保钢柱能够承受多高层结构的垂直和水平荷载。对于外包混凝土，其强度、抗压性能和耐久性是关键指标。在选择混凝土配方时，需要考虑使用高性能混凝土，并根据实际情况添加适量的增强材料，如纤维或添加剂，以提高混凝土的抗裂性、抗渗性和耐久性；除此之外，外包式柱脚的设计关键在于实现钢柱与外包混凝土的协同工作，确保荷载能够有效传递并在两者之间合理分布。通过精确的结构计算和模拟分析，设计工程师可以确定钢柱与外包混凝土的合适连接方式和传力机制。一种常见的荷载传递机制是采用钢柱内置于外包混凝土中，通过钢筋连接实现两者的紧密结合2。这种设计方式能够更好地利用钢的高强度和混凝土的良好抗压性能，形成协同工作的效果，使得结构在荷载作用下更为稳定可靠；最为关键的是，为了确保外包混凝土能够充分发挥其作用并具有良好的耐久性，设计中需要采取一系列保护措施。这包括对外包混凝土进行合理的保温、防水和防腐处理，以减缓混凝土的老化速度，延长其使用寿命。外包式柱脚材料性能对比见下表 1。3.2 钢柱和外包混凝土的连接 在多高层钢结构外包式柱脚的设计过程中，钢柱与外包混凝土的连接措施是确保整体结构稳定性和安全性的重要环节。合理的连接设计需要考虑到钢柱与混凝土之间的力学性能、材料特性以及施工可行性等多方面因素。其中，对于钢柱和外包混凝土的连接，常采用焊接和螺栓连接两种主要方式。焊接连接是将钢柱直接焊接到混凝土梁或柱上，形成一个整体性的连接。这种方式能够确保连接的刚性和紧密性，提高结构的整体稳定性。在实际设计中，焊接连接时需注意控制焊接变形和温度，采用合适的焊接材料，如AWSE70 系列焊条，保证焊缝质量；另一种常见的连接方式是螺栓连接，通过将钢柱与外包混凝土梁或柱的连接部位进行孔洞预留，再通过高强度螺栓将两者连接起来。这种方式具有拆卸性好、施工便利的优点。在实际设计中，选用合适规格的高强度螺栓，如 8.8级或以上，确保连接的牢固性和可靠性。此外，还可以采用预应力螺栓，以提高连接的抗震性能。设计师在实践当中，务必要注意连接部位的细节设计。例如，在焊接连接中，要确保焊缝的均匀性和充分的焊透，以提高连接的强度。在螺栓连接中，要合理设置螺栓的数量和布置方式，以满足设计要求，并通过紧固力矩控制确保连接的预紧力3。与此同时，由于钢和混凝土在温度变化下的热胀冷缩系数不同，连接部位可能会出现变形。因此，在设计中需要预留适当的伸缩缝或考虑温度变形的补偿措施，以避免因温度变化而引起的连接问题。3.3 防止斜裂缝的产生 在多高层钢结构建筑中，外包式柱脚是一种常见的节点形式，具有传力明确、构造简单、易于制作和安装等优点。然而，外包式柱脚在设计过程中需要注意防止斜裂缝的产生，以保证结构的安全性和稳定性。接下来将以某个具体的工程案例为背景，分析多高层钢结构外包式柱脚设计过程中防止斜裂缝产生的设计措施。某工程为高层商业建筑，建筑高度为 15 层，采用钢结构体系。在结构设计过程中，考虑到建筑的使用功能和荷载要求，采用了外包式柱脚节点形式。为了防止斜裂缝的产生，设计人员采取了以下措施：第一，增加节点区的抗剪强度。在多高层钢结构建筑中，节点区的抗剪强度对防止斜裂缝的产生具有重要意义。首先，在钢柱和钢梁之间增加了连接板，通过连接板传递弯矩和剪力。连接板的厚度为16mm，材质为Q345B，并采用高强度螺栓进行连接。而且设计师在节点区增加隔板，以增强节点区的抗剪能力。隔板的数量和位置根据具体的结构形式和荷载要求进行确定。另外，在钢柱和钢梁的翼缘和腹板上需要增加加劲肋，以提高节点区的局部稳定性。加劲肋的位置和高度根据具中国科技期刊数据库 工业 A-117-体的结构形式和荷载要求进行确定；第二，控制节点区的应力分布。节点区的应力分布不均匀会导致局部应力集中，进而产生斜裂缝。其中，对钢柱和钢梁的截面尺寸进行了仔细的优化设计，以减小节点区的应力分布不均匀。同时设计师在节点区增加了焊缝，以增强节点区的整体性。焊缝的高度和长度根据具体的结构形式和荷载要求进行确定。最为关键而是，设计师还对节点区的应力进行了有限元分析，以了解应力分布情况并进行优化设计；第三，提高节点的刚度。节点的刚度对防止斜裂缝的产生也有重要影响。设计师在钢柱和钢梁之间增加连接板，提升节点的刚度。与此同时也对节点的细部构造进行了优化设计，以提高节点的刚度。例如，减小了螺栓孔的大小，增加了螺栓的数量和直径等。通过以上措施的采取，该工程的外包式柱脚节点在设计过程中有效地防止了斜裂缝的产生。在施工过程中，对节点区进行了严格的质量控制和检测，确保了节点的安全性和稳定性。最终的结构结果表明，外包式柱脚节点的设计和施工是成功的，达到了预期的结构效果和使用要求4。3.4 外露式柱脚的设计 在多高层钢结构的设计中，外露式柱脚作为结构的重要组成部分，其设计至关重要。外露式柱脚的设计首先要考虑结构材料的选择。一般情况下，外露式柱脚通常采用高强度的结构钢，如 Q345 或 Q460，以确保其具备足够的承载能力。结构钢的抗拉强度通常在400 至 600MPa 之间，根据具体项目的要求进行选择。此外，为了提高外露柱脚的耐候性，还可以采用耐候钢，如 ASTMA588。不仅如此，外露式柱脚的截面设计还需要兼顾结构的稳定性和外观的美观性。一般而言，外露式柱脚的截面形状可以选择矩形、圆形或其他几何形状，根据建筑的整体设计风格和要求。具体参数包括柱脚的截面尺寸、壁厚以及可能的异型截面设计，这些参数需要结合结构计算和建筑美学进行综合确定。为了保证外露式柱脚在外部环境中具有良好的抗腐蚀性能，表面处理和防腐措施是必不可少的。一种常见的处理方式是采用热浸镀锌，通过将柱脚浸泡在熔融的锌中，形成坚固的锌层，提高钢材的耐腐蚀性。另一种方式是采用氟碳漆等特殊涂层，提高柱脚的耐候性和美观性。针对外露式柱脚设计来讲，通常需要连接其他结构部件，这就要求设计师必须合理选择连接方式，在设计过程中，要确保连接方式既能够满足结构的承载要求，又能够保持外露柱脚的整体美观。一种常见的连接方式是采用隐蔽连接，通过设计连接节点使得连接部位尽可能不显眼，从而保持整体的外观美观。最后，外露式柱脚作为建筑的外观元素，其美学设计和装饰性处理是不可忽视的。可以通过在柱脚表面雕刻、喷涂特殊图案或采用装饰性的柱帽设计，使外露柱脚既起到支撑和连接的功能，又成为建筑外观的装饰点。这些设计要素的具体参数和形式需要与建筑整体风格和设计理念相协调5。4 结论 外包式柱脚的设计不仅关乎结构的强度和稳定性，更牵涉到建筑的整体美学和环境适应性。通过对结构材料的精心选择，设计师追求高强度的结构钢与高性能混凝土的协同工作，以确保结构承载能力的最大化。在外露式柱脚设计中，注重防腐、美观和抗灾性能，通过热浸锌、氟碳漆等表面处理，保障外露柱脚在恶劣环境中的长期稳定性。同时，考虑到建筑外观的需求，通过合理的柱脚截面设计和装饰性处理，使外包式柱脚成为建筑的艺术元素。在连接措施的设计中，设计师采用灵活多样的方法，包括焊接、螺栓连接、预应力设计等，以确保连接部位既能满足结构的要求，又能够实现设计的整体一体化。通过以上设计要点的精心搭配，能够为多高层钢结构外包式柱脚的设计提供全面而可行的解决方案。参考文献 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