十字柱截面尺寸的合理性研究

十字柱截面尺寸的合理性研究

李文杰

中建三局第二建设工程有限责任公司湖北武汉430074

摘要：对于结构设计师来说，十字柱的截面尺寸取决于结构受力计算得到的横截面面积。只要满足横截面面积的要求，十字柱腹板厚度可以变大，翼缘宽度亦可以变大。是否十字柱的截面尺寸可以随意变大？是否十字柱的截面尺寸几乎没有任何限制？回答是否定的。下面从焊接工艺的角度来探究什么样的十字柱才是满足焊接要求的，是合理的截面尺寸。

关键词：横截面；焊接工艺；二氧化碳气保焊；埋弧焊；碳弧气刨；UT探伤；净间距；夹角

1引言

十字柱没有弱轴，破坏模态属于局部屈曲的塑性破坏，且塑性变形主要发生在弯矩作用平面的翼缘上。其受弯承载力、延性及抗震承载力较好，但与圆管柱、箱型柱比，其抗扭性能较差，特别是在高轴压比下变形很快，故一般与钢筋混凝土组合形成型钢混凝土组合柱受力性能更好。近年来，十字柱作为钢筋混凝土的钢骨，广泛应用于多高层、超高层建筑的主受力结构。

2工程概况/研究背景

长沙国金中心项目T1塔楼地下室五层，地上结构楼层92层，建筑总高度452米。该工程采用了核心筒-巨柱-伸臂桁架-环带桁架结构体系，其中巨柱55层以下全部使用十字型钢骨柱（如下图1.1所示：巨柱KZ1），核心筒27层以下四个角部也使用了十字型钢骨柱（如下图1.2所示：YBZ-601钢骨）。

对于结构设计师来说，十字柱的截面尺寸取决于结构受力计算得到的横截面面积。只要满足横截面面积的要求，十字柱腹板厚度可以变大，翼缘宽度亦可以变大。是否十字柱的截面尺寸可以随意变化？是否十字柱的截面尺寸几乎没有任何限制？回答是否定的。下面从焊接工艺的角度来探究什么样的十字柱才是满足焊接要求的，是合理的截面尺寸。

3十字柱的焊接工艺

十字柱截面通常表示为H400X300X60X60+H800X200X60X60，如上图（YBZ-601钢骨）中所示，图示外形为两个H型钢正交叠加，焊接时由一个H型钢和两个T型钢组立而成。组立的过程主要分为三个步骤，即H型钢的制作、T型钢的制作及十字柱的组立。前两个步骤没有任何难点，均为最简单、基础的焊接工艺，第三个步骤才是本次探究的重点。

下面仍以YBZ-601中十字型钢骨柱为例，见下图1.3所示。十字柱的最后一步组立，由T型钢肢尖与H型钢腹板采用一级K形剖口全熔透焊接而成。焊接工艺流程主要分三步走，首先组立焊接，然后清根，最后一步探伤检测。

4焊接满足的两个控制条件

根据十字柱组立必不可少的三步焊接工艺流程，我们知道这每一步都需要使用工具，无论是手工焊的二氧化碳气保焊枪，还是采用门式自动埋弧焊机，或者是使用碳弧气刨背后清根，以及使用UT探伤探头无损探伤检测，都必须深入接触焊接点。

那么首先要考虑的就是工具和手的自由出入问题，也即是要考虑翼缘的净间距d，如上图1.3所示。一般成年人拳头的大小不小于8公分，也就是说使用二氧化碳气保焊枪手工焊以及用手拿着UT探头探伤时，此净距离d要求在8公分以上。如果要使用机械提高效率，采用自动埋弧焊机焊接，一般焊机需要的净距离d在10~15公分以上，型号不同净距离d要求不同，需根据各车间使用的焊机而定。

其次要考虑的就是焊枪（焊机）以及碳弧气刨碳棒可自由操作的角度α，如上图1.3所示。经工人实际操作得到的数据，测算出此夹角α应不小于45o。

综上所述，十字柱从焊接方面考虑，应同时满足两个方面的条件。一是翼缘的净间距d不小于8公分（手工焊）或10~15公分以上（自动埋弧焊），二是工具自由操作的夹角α必须在45o以上。

5合理化建议

根据以上分析，我们知道了控制好净间距d及夹角α这两个条件，就可以解决焊接方面的难题，使十字柱截面尺寸更趋合理。由上图1.3可知，增加净间距d及夹角α最有效的途径是减小翼缘的宽度，但是同时又要保证十字柱受力方面的要求，需要保持横截面面积不变或者稍微变大，即减小翼缘宽度的同时增大翼缘厚度，如果翼缘宽度的减小的有利影响大于翼缘宽度带来的不利影响，也可能使十字柱截面调整到一种合理的尺寸。如果截面外形没有限制，其调整手段可以更加多样化了，比如增加H型钢高度等等。

6工程应用

了解了十字柱在工厂焊接方面可能存在的局限性，以及解决焊接问题需要满足的两个基本条件，对于我们认识工程中实际出现的十字型钢骨柱，处理十字型截面问题具有指导性的意义。

当我们收到一份结构设计图纸，图中有十字型钢骨柱截面时，首先应该考虑此型材规格是否合理，是否满足焊接工艺方面的要求。此时就应该核算翼缘的净间距d不小于8公分同时工具自由操作的夹角α必须在45o以上。如果不能同时满足这两个方面的条件，就必须提前向设计单位提出焊接方面的问题，同时给出合理的截面修改意见。如此，一方面可以尽早发现问题，提出问题，并解决图纸中的隐藏问题，避免之后图纸的反复变更，多次修改，效率低下；另一方面也为制作厂加工制作扫清障碍，避免材料的加大浪费。

7结论：

由此可知，结构设计师对于十字柱的截面选型，不仅要从结构受力方面考虑，还应该从制作加工方面考究其焊接的可能性，使得其截面尺寸更加合理。

参考文献：

[1]钢结构焊接规范GB50661-2011，中国建筑工业出版社

[2]钢结构设计规范GB50017-2003，中国建筑工业出版社