钢结构H型钢柱和箱型柱哪个更常用?

随着建筑行业的不断发展,钢结构体系逐步实现了从无到有、从初步应用到广泛适应各类建筑场景的演变。在这一过程中,H型钢柱箱型柱的选用问题,始终是困扰许多钢结构初学者的常见难题。要正确理解和解决这一问题,首先需要你需要知道两者各自的结构优势,我们需要结合项目实际需求去进行选择。选择不同类型的钢柱,绝对不是出于设计偏好,而是为了更好地应对不同风,雪,地震荷载条件、建筑功能和施工工况限制工程实际问题进行分析选择。所以那个更常用这个说法本身就是有问题的,我们应该根据不同的工况去分析!!

 

首先我们需要知道这些产品的定义是什么?

 

H型钢柱:H型钢柱是由热轧或焊接生成的“H”字形截面钢结构构件,具有优良的抗弯性能和截面利用率,常用于工业厂房、多层框架和钢结构住宅中。它的优势包括施工方便、造价较低,常用于柱轴压较小、对截面尺寸要求小的场景。在中低层钢结构中,H型钢柱常因其经济性强而被广泛使用。

箱型柱:箱型柱主体是由四块钢板焊接组成的封闭截面,刚度高、抗扭能力强,适合高层建筑、桥梁或大跨结构中对稳定性要求高的部分。其内部可灌注混凝土,还能进一步提升承载力与耐火性能。箱型柱常用于重型荷载、复杂节点或建筑外观有特殊要求的工程场景中。

 

技术层面分析:H型钢柱与箱型柱结构性能特点

结构承载力层面分析:

在轴心受压能力上,箱型柱因为其封闭截面使两个主要受力轴线方向的惯性距接近,稳定性更强,能够承受更高的轴向压力;而H型钢柱弱轴刚度较低,在轴压下更易发生弱轴方向的屈曲失稳,通常只要荷载不超出常规范围仍能满足要求。实际应用中,H型钢柱也可用作竖向受力构件,但在超大轴力情况下,其承载率远不及箱型柱强。因此,高层建筑等轴压巨大的场合多采用箱型柱来保证足够的承载储备。

结构抗弯刚度:

H型截面将大部分材料集中于上下翼缘,在主要受弯方向(强轴)具有极佳的抗弯能力,能最大程度承担单向弯矩。相比之下,箱型柱截面四周均为板件,因而两个主轴方向的弯曲刚度较为均衡,但在单一方向的抗弯效率上可能不及等重量的H型截面突出。工程经验表明,在满足相同刚度要求下,H型钢柱通常以更小的截面重量即可实现目标刚度,结构侧向变形(层间位移)也相对更易控制。

抗扭性能:

由于截面形式差异,H型钢柱属于开放截面,抗扭刚度低,受扭很容易发生畸变;而箱型柱为闭合截面,扭转刚度远大于H型截面。这意味着箱型柱在承受偏心荷载、风荷载或地震扭转效应时表现更加优异,不易发生截面扭曲变形。因此在高抗震设防地区或有扭转需求的结构中,箱型柱的截面形式更有优势。

施工适应性:

H型钢柱构造简单,由腹板和两块翼缘组成,制造时仅需四条纵向焊缝,外露的焊缝便于双面施焊,焊接质量和强度容易得到保证。同时,开口的截面使构件内部更易于涂装防腐,后期维护仅需内部重新防腐处理。相比之下,箱型柱由四块钢板拼焊封闭而成,焊接接头多达四条且主要为角焊缝,施工时双面焊接难度大,焊接变形和质量控制要求极高。封闭截面内部空间狭小,制造时无法对内表面进行二次防腐涂装处理,使用过程中难以及时发现和防止内部腐蚀。此外,箱型柱在现场连接梁柱时需要设置外伸连接板或穿孔节点板,连接构造相对复杂,不如H型钢柱直接将梁与翼缘连接来得方便。

 

造价比较:材料利用率、加工工艺与运输施工成本

材料利用率

从截面经济性看,H型钢柱能以较小的用钢量满足结构强度要求。翼缘板将材料布置在截面外围,提高了抗弯效率,因此单位承载/刚度所需的钢材重量较少。箱型柱由于四周板件均参与受力,为确保稳定性往往需要一定的板厚和加劲措施,在达到同等承载力和刚度时用钢量相对偏大,自重更重。因此一般来说,同样受力条件下箱型柱的截面面积和重量会大于H型截面,这也直接影响其成本。

加工工艺成本

H型钢柱可采用型钢轧制或钢板焊接成型,加工工序相对简单(仅需焊接腹板与两翼缘),标准化程度高便于批量生产。其两条纵向焊缝外露,易于实施自动埋弧焊接,焊接质量可靠且效率高。相较之下,箱型柱通常由四块板材拼成封闭断面,需要高精度下料和四条长焊缝的全焊透焊接,制作工艺复杂且焊接工作量大,焊接成本显著高于H型构件。尤其对于大截面厚板箱型柱,角部焊缝易产生残余应力和变形,往往需要额外的工序矫正,进一步增加加工成本。

运输与施工成本

H型钢柱截面较窄且重量较轻,常见规格的构件运输时不易超宽超重,现场吊装和拼接也相对简便经济。标准化的H型构件便于工厂预制和现场装配,施工效率高。相比之下,箱型柱因截面尺寸大、自重大,运输时可能受限于超宽或超长需要特殊运输措施,费用上升;现场吊装需要更大吨位的起重设备,增加施工机械成本。连接方面,箱型柱柱身封闭需要借助外接板件连接梁柱,安装工序较繁琐,施工用时和人工投入更多。总体而言,在满足同样功能前提下,箱型柱从制造到安装的总成本高于常规的H型钢柱。

工程实践:典型应用项目中的柱型选择

多层厂房及中低层建筑:此类工业厂房和多层钢框架建筑多采用门式刚架或钢框架结构体系,柱子通常优先选用H型钢截面。H型钢柱能够以较低成本满足这类建筑的承重和刚度要求,并方便连接钢梁及吊车梁等构件,非常适合大开间的厂房和仓库应用。由于中低层结构轴压和侧向力有限,H型柱的弱轴性能不足可以通过布置柱间支撑等方式弥补,一般无需采用造价更高的箱型柱。只有在极少数需要承受大型桥式吊车横向扭转荷载或特别高的侧向刚度要求时,才会考虑用箱型柱来增强柱子的稳定性。

高层及超高层建筑:钢结构高层建筑由于楼层多、荷载大,柱子需要承受巨大的轴压力和弯矩以及地震作用。为保证足够的承载力和抗震刚度,此类建筑常采用箱型柱或钢管柱作为主要竖向构件。闭口的箱型截面可提供双向接近的弯曲刚度以及优异的抗扭性能,适合高层框架在风荷载和地震下的需求。许多超高层建筑的巨型柱都采用了由厚钢板拼成的箱型柱或圆筒型钢柱(有的内部填充混凝土形成组合柱),在轴压和抗侧力方面表现出色。综上,在摩天大楼等超高层结构中,箱型柱因其高承载、高刚度特性而相当常见。

大跨度结构建筑:对于体育场馆、大型会展中心、飞机库这类大跨度、大空间的建筑,支撑立柱往往较高且需承受来自屋盖的大量竖向和横向荷载。为提高整体稳定性,不少此类工程选择箱型柱或圆管柱作为主要支撑,以利用其双向对称的高刚度和抗扭能力,在风荷载或不对称荷载作用下保证结构安全。同时,闭合截面的柱外观简洁,适合作为外露结构提升建筑美感。需要指出的是,出于造价控制,也有项目在大跨度建筑中沿用经济的H型钢柱方案,通过增加支撑构件来满足稳定性要求。总体来看,在对结构稳定性要求高且追求构件美观的长跨度建筑中,箱型柱(含各类管状柱)的应用更为普遍。

 

总结与建议:柱型选择的原则与意见

 

综上所述,H型钢柱和箱型柱各有优缺点和适用范围。在技术性能方面,H型柱经济性好、结构连接方便,但开口截面的弱轴刚度和抗扭能力相对不足;箱型柱承载稳定、扭转刚度高,在高荷载下表现优秀,但截面制作成本和材料用量较大。

就应用频率而言,一般的中低层钢结构项目多采用H型钢柱作为首选方案,以获得更高的性价比;而在超高层或大跨等特殊结构中,为满足更严苛的强度和刚度要求,往往会使用箱型柱,即使单吨造价较高但在整体安全性方面更有保障。

对初学者或实际工程设计人员而言,建议首先根据建筑规模和受力需求选择常规经济的方案:大部分房屋建筑优先采用H型钢柱以控制造价和简化施工;只有当结构存在超出常规的扭转、双向弯曲或超大轴压需求时,再考虑采用箱型柱或其他闭口截面,以在安全裕度和工程造价之间取得平衡。每个项目在选型时都应综合考虑承载要求、受力特点、施工条件和预算限制,选择最适合的柱型来确保结构的可靠和经济。

 

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