谈谈H型钢柱弱轴抗弯钢框架的设计

来源：从钢结构到装配式钢结构建筑

余姚钢结构坍塌事故的新闻和分析，教训惨痛，需要大家警惕。

实际上近两年类似事故发生过几次，网上的事故分析原因多种多样--单跨框架、梁柱节点刚度有问题、弱轴疑似无框架梁等等。但实际上，出问题的这些结构有一个典型特征——钢结构纯框架，H型钢柱且弱轴抗弯。有必要谈谈这种结构形式设计可能会存在的问题。  

（图片来自“土木吧”）  

1）结构体系是否可行？

从结构体系而言，这是钢框架，没毛病。而且不采用箱型（矩管）柱，一般都是出于构造简单，施工便利的原因。如果非得说体系有问题，可能就是抗规3.5.3的这条概念设计问题（条文说明举例说明横向抗侧力构件（如墙体）很多而纵向很少的情况）。但实际上程度不好把握，并不能因此彻底否定这种结构形式。  

另外，抗规8.3.4要求，钢框架柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时宜采用箱形截面。当然按规范说法这也不是绝对禁止H型钢柱。

2）“强柱弱梁”要求是否满足？  

个人认为这可能是关键。按照抗规8.2.5，除了几种免除条件外，钢框架应满足“强柱弱梁”的要求。  

就个人经验而言，经常会依靠“柱轴压比不超过0.4”这一条件免除，否则很难算够。这与抗规8.3.4的要求内在逻辑一致。  

3）强轴框架，弱轴支撑是否可行？  

很多人提出，弱轴应该设置支撑。但按目前抗规的要求，单方向设置支撑导致两个方向动力特性差异较大，可能会被审图用抗震概念设计不符合要求而给否定。另外，哪怕纵向设置支撑，按抗规纵向就是是框架-支撑，框架部分一样要满足“强柱弱梁”要求。  

咋整？按钢标的支撑框架设计？按厂房的柱间支撑？  

想想，问题在哪儿呢？  

4）为啥AISC规范可以用H型钢柱框架？  

熟悉美国规范的朋友肯定会说，AISC钢结构抗震规范（AISC 341 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings）允许用H型钢柱的特殊抗弯框架（SMF）？而且延性还非常好。  

非常好的问题，我先不细说，这个问题需要您对照着SMF框架柱的布置来说了。如果真的琢磨到这儿的，那也请您一并看一下SMF框架对于“强柱弱梁”的规定，包括免除条件。如果看明白了内在逻辑，那就自然明白了，我们如果非得要设计H型钢柱框架，应该如何做了。  

还有网友在问提及的美国AISC规范的SMF框架做法。

补充一下，直截了当说说。

1）H型钢柱弱轴抗弯框架，结构体系是否可行？——规范并没有明确说不行，事实上也确实有一些项目这么做。

2）H型钢柱弱轴抗弯框架，“强柱弱梁”要求是否满足？——实际上弱轴一般是算不够的，这个要注意。但往往两三层的框架，可能符合柱轴压比不超过0.4的要求，因此这一条要求可以免除。

3）强轴框架，弱轴支撑是否可行？——规范显得模棱两可，实际是可以的，一个方向是框架，一个方向按支撑框架，单一抗侧力体系，在工业建筑中并不少见。

4）为啥AISC规范可以用H型钢柱框架？

这块是网友问得最多的，美国AISC钢结构抗震规范（AISC 341 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings）常规做法都是采用H型钢柱来设计特殊抗弯框架（SMF），且归类为延性最好的那类。

找了几个典型SMF钢框架的结构布置图，大家可以看一下。显然，钢柱弱轴并不是都在一个方向，如第一个图的A和E轴，第二个图的A、C、E和G轴，钢柱弱轴方向转了90度，这样两个方向都能形成H型钢柱强轴方向的抗弯框架，确保结构在两个方向的抗侧刚度。

事实上，AISC 341规范对于“强柱弱梁”要求也是有如下免除条件的，可以对照着我们的抗规看看。

琢磨琢磨这些内在逻辑哈，如果非得要设计H型钢柱框架，大致明白应该怎么做了吧。