Что такое стальная коробчатая колонна?
Стальная коробчатая колонна — это вертикальный элемент закрытого-секции с квадратным или прямоугольным полым профилем, который обычно изготавливается путем сварки четырех стальных пластин вдоль их продольных краев. Закрытая, двоякосимметричная форма придает колонне почти одинаковую жесткость на изгиб по обеим главным осям, что является решающим преимуществом для элементов, которые воспринимают нагрузки с нескольких направлений в высотном каркасе.
Коробчатые колонны выдерживают осевые гравитационные нагрузки, боковой ветер и сейсмические силы, а также изгибающие моменты, передаваемые от балок и раскосов. Они появляются в ядрах зданий, моментных каркасах по периметру, передаточных конструкциях и опорах крыш с большим-пролетом. Полое ядро может оставаться пустым или быть заполнено конструкционным бетоном для создания колонны из стальных труб, заполненной бетоном (CFST), которая сочетает в себе прочность стали на растяжение с сжимающей массой и жесткостью бетона.
Почему прямоугольные колонны хорошо работают в высотных-каркасах
По сравнению с открытыми секциями, такими как колонны H-, закрытая прямоугольная секция меняет структурное поведение элемента таким образом, что это непосредственно актуально для высотных зданий.
Жесткость на кручение закрытой-секции
Поскольку четыре пластины образуют закрытую трубу, коробчатая колонна сопротивляется скручиванию гораздо эффективнее, чем открытая двутавровая или H-секция аналогичного веса. Это имеет значение везде, где на раму действуют несимметричные фасадные нагрузки, действия крана или сейсмические крутящие моменты. Преимущество заключается в самой закрытой геометрии и применяется независимо от марки стали.
Сбалансированная двухосная жесткость и устойчивость к короблению
При почти равных моментах инерции относительно обеих главных осей коробчатая колонна не имеет выраженной слабой оси. Таким образом, сопротивление изгибу и продольному изгибу стабильно при нагрузках в любом направлении, что упрощает конструкцию соединения и снижает риск выхода из строя слабой-оси во время сейсмических событий. Правила проектирования закрытых секций соответствуют тем же национальным положениям, что и другие стальные элементы, такие как GB 50017, AISC 360 и EN 1993-1-1.
Вариант с бетонной-заливкой (CFST)
Заполнение ядра конструкционным бетоном повышает осевую прочность и жесткость на изгиб, а также улучшает огнестойкость, поскольку бетонная масса поглощает тепло, в то время как стальная оболочка ограничивает ядро. Комбинированное поведение элементов CFST описано в стандартах GB 50017, EN 1994-1-1 и AISC 360, глава I, и этот вариант часто выбирается для сильно нагруженных колонн нижних этажей.
Коробчатая колонна по сравнению с колонной двутаврового сечения и железобетонной колонной
| Свойство | Стальная коробчатая колонна | Столбец раздела H- | Железобетонная колонна |
|---|---|---|---|
| Поперечное-сечение | Закрытая квадратная или прямоугольная полость | Открытая I-форма | Цельнолитая секция |
| Двухосная жесткость | Почти одинаково по обеим осям | Сильная ось доминирует, слабая ось ограничена | Почти равно |
| Сопротивление скручиванию | Высокая, закрытая трубка | Низкий | Умеренный |
| Соотношение прочности-к-весу | Высокий | Высокий | Низкий |
| Бетонная заливка | Возможен вариант CFST | Нетипично | Непригодный |
| Скорость возведения | Быстрый, сборный | Быстрый, сборный | Медленное, опалубка и отверждение |
| Огнестойкость | Требует защиты | Требует защиты | По сути лучше |
Рекомендации по проектированию и изготовлению
Выбор материала
Материал пластин выбирается в соответствии с действующими нормами проектирования и спецификациями проекта. К распространенным маркам сварных-конструкций относятся ASTM A572, класс 50 или 60, EN 10025-2 S355JR/J0/J2 и GB/T 1591 Q355B/C/D/E; ASTM A36 или EN 10025-2 S235JR могут использоваться там, где допустима более низкая прочность. Для элементов с сильными ограничениями в соединениях можно указать свойства по толщине, чтобы предотвратить разрыв пластин.
Сварка и изготовление
Коробчатые колонны обычно состоят из четырех пластин с продольными сварными швами полного-провара, выполненными автоматической сваркой под флюсом (SAW). Внутренние диафрагмы и ребра жесткости устанавливаются в зонах панелей, стыках и точках-введения нагрузки, часто свариваются электрошлаковой сваркой (ESW) или порошковой-порошковой сваркой. Выполнение соответствует AWS D1.1 или EN 1090-2, квалифицированные сварщики и утвержденные спецификации процедуры сварки.
Контроль качества
Критические сварные швы проверяются ультразвуковым контролем (УЗК) и магнитопорошковым контролем (МТ). Подготовка поверхности соответствует ISO 8501-1, обычно до степени Sa 2,5, перед нанесением систем покрытия, указанных в ISO 12944, или горячего-цинкования погружением в соответствии с ISO 1461, если требуется защита от коррозии. Проверка размеров охватывает размер поперечного- сечения, прямолинейность, прямоугольность и подготовку концов к сращиванию.
Обзор доступных типов колонн см. в нашем ассортименте колонн из конструкционной стали, колонн и балок.
Типичные применения в высотном-строительстве
Колонны ядра и периметра в стальных и композитных моментных рамах
Переносные колонны, поддерживающие большие открытые-нижние этажи и конструкции подиумов.
Угловые колонны на границах ядра-стены, где требуется высокая местная устойчивость к продольному изгибу
Открытые архитектурные колонны, где чистые, ровные поверхности являются частью дизайнерского замысла.
Длиннопролетные опоры крыши и подиума, где уменьшенный-собственный вес улучшает конструкцию фундамента.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос. Является ли прямоугольная колонна просто колонной H-с дополнительными пластинами?
Нет. Колонна H- представляет собой открытую секцию с выраженной слабой осью, а коробчатая колонна представляет собой закрытую секцию со сбалансированной двухосной жесткостью и гораздо более высоким сопротивлением кручению. Они спроектированы и детализированы по-разному, включая размещение диафрагмы и доступ к сварным швам.
Вопрос: Нужна ли коробчатым колоннам противопожарная защита?
Да. Как и вся конструкционная сталь, коробчатые колонны требуют противопожарной защиты там, где этого требуют правила, обычно с помощью вспучивающегося покрытия, обшивки или бетонного заполнения. Вариант CFST использует само бетонное ядро как часть стратегии пожаротушения.
Вопрос: Можно ли приварить пластину любой толщины к коробчатой колонне?
Практические ограничения определяются доступом к сварным швам, конструкцией соединений, контролем деформаций и возможностями неразрушающего контроля, а не самой концепцией. Толстые листы требуют подготовки фасок, контролируемого тепловложения и соответствующих процедур сварки, поэтому изготовление обычно выполняется квалифицированными мастерскими по производству металлоконструкций.
Вопрос. Всегда ли блочный столбец дороже, чем столбец H-?
Не обязательно. Стоимость изготовления единицы выше из-за подготовки пластин и четырех продольных сварных швов, но эффективность использования материалов и уменьшенный вес конструкции могут компенсировать это в случае тяжелонагруженных или тонких элементов. Сравнение следует проводить по общей стоимости монтажа, включая фундамент, соединения и противопожарную защиту.
Вопрос: Подходят ли коробчатые колонны для сейсмического проектирования?
Да. Обладая сбалансированной жесткостью по обеим осям, коробчатые колонны широко используются в сейсмостойких каркасах и проектируются в соответствии с теми же положениями, что и другие стальные элементы, например GB 50017, вместе с правилами сейсмической детализации AISC 341 или EN 1998-1.
Вопрос: Можно ли соединить колонны коробок на месте?
Да. В зависимости от конструкции соединения могут крепиться болтами с накладками или привариваться. Заводская сварка с полным-проваром и тщательно подготовленные концы соединений, проверенные методом неразрушающего контроля, являются стандартной практикой для высотного-строительства.