鋼柱

鋼柱按截面形式可分為實腹柱和格構柱（圖1）。實腹柱具有整體的截面（圖2a），最常用的是工形截面；格構柱的截面分為兩肢或多肢，各肢間用綴條或綴板聯繫（圖2b），當荷載較大、柱身較寬時鋼材用量較省。鋼柱按受力情況通常可分為軸心受壓柱和偏心受壓柱。軸心受壓柱所受的縱向壓力與柱的截面形心軸重合。偏心受壓柱同時承受軸心壓力和彎矩，也稱壓彎構件。

鋼柱截面應滿足強度、穩定和長細比限制等要求，截面的各組成部件還應滿足局部穩定的要求。強度　柱的最大受壓或受拉正應力應不超過鋼材的設計強度。對軸心受壓柱，軸心壓力在截面內引起均勻的受壓正應力；對偏心受壓柱，由於彎矩的作用，在截面內引起不均勻的正應力，通常在截面偏心一側的最外層纖維應力為最大壓應力，另一側最外層纖維應力為最小壓應力，彎矩較大時可能出現最大拉應力。

實腹柱軸心受壓時，當壓力增加到一定大小，柱會由直線平衡狀態突然向剛度較小的側向發生彎曲，有時也可能發生突然扭轉、或同時發生彎曲和扭轉；如壓力再稍增加，則彎曲、扭轉或彎扭變形隨即迅速加大，從而使柱失去承載能力的現象稱為柱整體喪失穩定，並按其失穩變形的情況分別稱為彎曲失穩、扭轉失穩或彎扭失穩(圖3)。使柱喪失穩定的最小軸心壓力稱為臨界力。

臨界力被毛截面面積除所得的應力稱為臨界應力。臨界應力常常低於鋼材的屈服點，即柱在強度到達極限狀態前就會喪失穩定。臨界應力與屈服點的比值稱為軸心受壓柱的穩定係數。軸心受壓柱喪失穩定的三種情況中，最常見的是彎曲失穩（圖3a）。

影響柱彎曲失穩臨界應力的主要因素是柱的長細比，亦即柱的計算長度與截面回轉半徑的比值。對給定的鋼材，柱愈長或愈細，即長細比愈大，則臨界應力愈小，愈易彎曲失穩。柱在兩個主軸x和y軸方向的長細比不相等時，其彎曲失穩總是順着剛度較弱、即長細比較大的方向發生（見柱的基本理論）。當鋼柱具有開口形截面且截面壁厚較小時，由於截面抗扭剛度較差，在軸心壓力作用下可能發生扭轉失穩或彎扭失穩。當截面為雙軸對稱(如十字形截面)或點對稱(如Z形截面)時，軸心壓力所在的形心軸與剪切中心軸重合，當柱的長度較小時，可能發生扭轉失穩(圖3b)；當截面為單軸對稱(如槽形或T形截面)，軸心壓力所在的形心軸與剪切中心軸不重合，柱可能發生彎扭失穩（圖3c）；當截面沒有對稱軸時，柱在軸心壓力下失穩一般為彎扭失穩。扭轉失穩和彎扭失穩的臨界應力與柱的截面形式和大小、抗扭剛度和抗彎剛度、柱的長度和支承情況等有關。

開口形薄壁截面的壁厚愈小，抗扭剛度愈小，愈易發生扭轉。工程上用的鋼柱常有缺陷，如鋼材熱軋和結構焊接過程中不均勻加熱和冷卻所產生的截面殘餘應力、構件初彎曲等製造偏差，以及構件連接初偏心等安裝偏差等。這些缺陷將降低臨界應力和穩定係數，對於不同截面形式的鋼柱，穩定係數的降低情況各不相同。軸心受壓柱的穩定計算公式為σ＝N/A≤φf，式中σ為毛截面壓應力；N為軸心壓力；A為毛截面面積；φ為穩定係數；f為設計強度。

偏心受壓柱同時承受軸心壓力和彎矩。由於彎矩的作用，柱在彎矩作用平面內一開始就有彎曲變形。如軸心壓力和彎矩同時逐漸增大，彎曲變形也相應逐漸增大。但當荷載增加到一定大小時，即使保持荷載不變甚至逐漸減小，而變形卻會繼續迅速增大，這時柱已失去承載能力，這個現象稱為偏心受壓柱在彎矩作用平面內喪失穩定（圖3d），屬彎曲失穩。如果柱的側向剛度較小且側向支承較差，當荷載增加到一定大小時，柱除在彎矩作用平面內彎曲外，在側向也可能從其原有平面突然向外彎曲，同時發生扭轉，隨即彎扭變形迅速加大，使柱失去承載能力的現象稱為偏心受壓柱在彎矩作用平面外喪失穩定（圖3e），屬彎扭失穩。

偏心受壓柱在彎矩作用平面內、外的穩定性不但和柱的長細比有關，而且還取決於偏心情況。偏心情況通常用偏心率（即偏心距與截面核心距的比值）衡量。對於給定的鋼材和柱截面形式，柱的長細比和偏心率愈大，則柱失穩時的臨界平均壓應力愈低，即柱愈易失穩。

柱的長細比是衡量柱的剛度的一個標誌。長細比太大不僅對柱的穩定不利，而且使柱在運輸和安裝過程中容易產生彎曲，在使用期中在動力荷載作用下容易產生振動。所以，設計時要規定柱的容許長細比，通常採用150。

當實腹柱的腹板、翼緣板或其他組成部件的厚度相對較小時，可能在柱喪失整體穩定前的較小荷載下產生局部屈曲，即受壓的腹板或翼緣板偏離其原來的平面位置而發生波狀翹曲的現象稱為柱喪失局部穩定。柱的局部喪失穩定後，使柱的受力狀況惡化，有可能導致柱較早地喪失整體穩定。為使鋼柱各組成部件有足夠的局部穩定性，通常按板件的應力和支承等情況限制其寬厚比不超過一定數值。格構柱的計算　對格構柱也應計算強度、穩定、長細比限制及各個單肢和組成部件的穩定；計算方法與實腹柱相仿。

但是，格構柱中綴條或綴板體系的抗剪剛度比實腹柱的腹板差得多，當柱繞虛軸（截面中與綴條或綴板平面相交的軸，圖2）彎曲失穩時，柱除發生彎曲變形外，還將發生相當程度的剪切變形。綴條和綴板的作用是把格構柱的柱肢連成整體，保證各個柱肢共同受力，並承受柱垂直於虛軸的剪力。綴條和柱肢組成平面桁架體系，在柱的剪力作用下綴條和柱肢將只承受軸力，一般情況下剛度較大。綴板和柱肢組成多層平面剛架體系，在柱的剪力作用下綴板和柱肢將承受彎矩和剪力。

為了滿足受力要求保證柱身截面幾何形狀不變和增加柱的抗扭剛度，應在鋼柱受較大水平力處及每個運輸單元的端部及中部設置橫隔。橫隔可採用鋼板或角鋼做成。柱腳和錨栓　柱腳是將柱身所受荷載傳到基礎的柱部件。

柱腳除把柱固定於基礎外，還起傳遞和分佈荷載的作用。柱腳一般由底板和靴梁組成；當柱身較小時，也可不用靴梁；當柱身較大及底板較寬時，為了加強底板的剛度，減小其彎矩和厚度，還需適當佈置隔板或肋板。錨栓是將柱固定於基礎的連接件。對軸心受壓柱和彎矩很小的偏心受壓柱，錨栓起安裝固定位置作用，一般按構造配置，通常用兩個，直徑20～30毫米。對彎矩較大的偏心受壓柱，錨栓還要抵抗柱身傳來的彎矩；這時錨栓受拉力，其直徑和個數應按柱底的最大彎矩和最小軸心壓力經計算確定。 ^[1]