鋼結(jié)構(gòu)箱型截面圖的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是土木工程中的重要課題，其設(shè)計(jì)需綜合考量結(jié)構(gòu)受力分析、變形分析及極限強(qiáng)度計(jì)算，以確定合理的柱有效截面尺寸和腹板截面設(shè)計(jì)，箱型截面具有良好的抗扭性能和整體穩(wěn)定性，能有效抵抗彎矩和扭矩，廣泛應(yīng)用于高層建筑的框架柱、梁和支撐等構(gòu)件，在表示方法上，可通過矩形表示法、坐標(biāo)表示法、剖面圖表示法和三維模型表示法等多種形式，根據(jù)實(shí)際需求選擇，以提高工程設(shè)計(jì)和制造效率，針對箱形截面壓彎構(gòu)件的簡化設(shè)計(jì)法概念明確、計(jì)算快捷，便于工程應(yīng)用，還可推廣至雙向壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。

鋼結(jié)構(gòu)箱型截面的基本概念

1 箱型截面的定義

箱型截面是由四塊鋼板焊接或螺栓連接而成的封閉截面,通常呈矩形或正方形，由于其截面形狀類似于“箱子”，故稱為箱型截面（Box Section），這種截面形式在承受彎矩和扭矩時(shí)表現(xiàn)出色，適用于大跨度結(jié)構(gòu)和高層建筑的核心筒結(jié)構(gòu)。

2 箱型截面的分類

根據(jù)構(gòu)造方式的不同,箱型截面可分為：

• 單室箱型截面：僅有一個(gè)封閉空腔，適用于中小跨度結(jié)構(gòu)。
• 多室箱型截面：由多個(gè)封閉空腔組成，適用于大跨度橋梁或高層建筑的巨型柱。
• 變截面箱型梁：截面尺寸沿長度方向變化，以適應(yīng)不同受力需求。

箱型截面的受力特性

1 抗彎性能

箱型截面的抗彎剛度較大,主要依靠上下翼緣和腹板的共同作用，在彎矩作用下，上下翼緣分別承受拉力和壓力，而腹板則主要抵抗剪力，由于其封閉特性，箱型截面的局部穩(wěn)定性優(yōu)于開口截面（如H型鋼）。

2 抗扭性能

由于箱型截面是閉合截面,其抗扭剛度遠(yuǎn)高于開口截面（如工字鋼），在扭矩作用下，截面四周的鋼板共同形成剪力流，有效抵抗扭轉(zhuǎn)變形。

3 局部穩(wěn)定性

箱型截面的鋼板較薄時(shí),可能發(fā)生局部屈曲（如腹板或翼緣的屈曲），設(shè)計(jì)時(shí)需考慮加勁肋的設(shè)置，以提高局部穩(wěn)定性。

箱型截面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1 截面尺寸的確定

箱型截面的高度（h）、寬度（b）和鋼板厚度（t）需根據(jù)受力要求確定，高寬比（h/b）在1.0~2.0之間較為合理，過大的高寬比可能導(dǎo)致側(cè)向穩(wěn)定性不足。

2 加勁肋的設(shè)置

為提高局部穩(wěn)定性,箱型截面內(nèi)部或外部通常設(shè)置加勁肋，包括：

• 橫向加勁肋：用于防止腹板屈曲。
• 縱向加勁肋：用于增強(qiáng)翼緣的穩(wěn)定性。
• 隔板加勁肋：用于多室箱型截面，以增強(qiáng)整體剛度。

3 連接方式

箱型截面的連接方式主要有：

• 焊接連接：適用于工廠預(yù)制，能保證較高的強(qiáng)度和剛度。
• 螺栓連接：適用于現(xiàn)場拼裝，施工方便但剛度略低。

箱型截面的計(jì)算方法

1 抗彎承載力計(jì)算

箱型截面的抗彎承載力可按以下公式計(jì)算： [ M_u = f_y \cdot Z ]

• ( M_u ) 為極限彎矩；
• ( f_y ) 為鋼材的屈服強(qiáng)度；
• ( Z ) 為截面模量。

2 抗剪承載力計(jì)算

箱型截面的抗剪承載力主要由腹板承擔(dān),計(jì)算公式為： [ V_u = 0.6 \cdot f_y \cdot A_w ]

• ( A_w ) 為腹板的截面積。

3 抗扭承載力計(jì)算

箱型截面的抗扭剛度較高,其抗扭承載力可近似計(jì)算為： [ T_u = 2 \cdot A_0 \cdot t \cdot f_y ]

• ( A_0 ) 為箱型截面的中心線圍成的面積；
• ( t ) 為鋼板厚度。

箱型截面的工程應(yīng)用

1 高層建筑

在高層建筑中,箱型截面常用于核心筒和巨型柱結(jié)構(gòu)，上海中心大廈的核心筒采用多室箱型截面，以提高整體剛度和抗震性能。

2 大跨度橋梁

箱型截面梁廣泛應(yīng)用于斜拉橋和懸索橋的主梁結(jié)構(gòu),港珠澳大橋的部分橋段采用鋼箱梁，以確保大跨度下的剛度和穩(wěn)定性。

3 工業(yè)廠房

在工業(yè)廠房中,箱型截面常用于重型吊車梁和大跨度屋架，以承受較大的動荷載。

箱型截面的施工與質(zhì)量控制

1 制作工藝

箱型截面的制作通常采用鋼板焊接或冷彎成型,焊接時(shí)需注意焊縫質(zhì)量，避免焊接變形和殘余應(yīng)力。

2 安裝要點(diǎn)

箱型截面構(gòu)件的安裝需采用合理的吊裝方案,避免局部變形，對于大跨度結(jié)構(gòu)，可采用分段吊裝后再焊接的方式。

3 質(zhì)量控制

• 焊縫檢測：采用超聲波或X射線探傷，確保焊縫無缺陷。
• 尺寸偏差控制：截面尺寸誤差需符合規(guī)范要求，通常允許偏差在±3mm以內(nèi)。

箱型截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 材料優(yōu)化

采用高強(qiáng)度鋼材（如Q460、Q690）可減小截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重。

2 截面形狀優(yōu)化

通過參數(shù)化設(shè)計(jì),優(yōu)化箱型截面的高寬比和鋼板厚度，以提高經(jīng)濟(jì)性。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

利用有限元分析（FEA）進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，去除冗余材料，提高結(jié)構(gòu)效率。

鋼結(jié)構(gòu)箱型截面因其優(yōu)異的力學(xué)性能和廣泛的應(yīng)用前景,在現(xiàn)代工程中占據(jù)重要地位，合理的設(shè)計(jì)和施工能充分發(fā)揮其抗彎、抗扭和穩(wěn)定性優(yōu)勢，隨著新材料和智能制造技術(shù)的發(fā)展，箱型截面的應(yīng)用將更加高效和智能化。

參考文獻(xiàn)

1. 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）
2. 《橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》
3. 《高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工》

（本文完）