Колонны коробчатого сечения для высотных стальных конструкций

Когда речь заходит о многоэтажках, многие сразу представляют швеллеры или двутавры, но в реальности коробчатые колонны — это совсем другая история с точки зрения распределения нагрузок. Часто заказчики требуют 'проверенные решения', не понимая, что для высотных зданий свыше 100 метров классические профили просто не вытягивают крутящие моменты.

Конструктивные особенности коробчатых сечений

Сварные коробчатые колонны мы впервые применили в 2018 году для бизнес-центра в Новосибирске — объект 27 этажей с асимметричными консолями. Помню, как пришлось пересчитывать узлы крепления трижды, потому что стандартные таблицы нагрузок для таких случаев не работали. Толщина стенки от 14 мм, с внутренними диафрагмами через каждые 1.2 метра — это минимальное требование для этажности выше 25.

Заметил интересную деталь: при высоте от 150 метров коробчатые колонны начинают 'играть' не по вертикали, а на кручение. В одном из проектов пришлось добавлять вертикальные ребра жесткости по всей высоте — изначально их не заложили, считая избыточными. После цикличных испытаний на стенде выяснилось, что без них деформация при ветровой нагрузке превышает допустимую на 18%.

Материал — вот где чаще всего экономят, а зря. Для колонн коробчатого сечения категорически не подходит сталь без четкого контроля ударной вязкости. Мы работаем с заводом в Шэньси (ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг), который поставляет сталь с гарантированными характеристиками после контролируемой прокатки. Их сайт https://www.zxth.ru содержит технические спецификации, которые реально соответствуют фактическому материалу — редкое явление на рынке.

Монтажные нюансы

Сборка секций на объекте — это отдельная головная боль. Если для обычных колонн допустим зазор в стыках до 3 мм, то для коробчатых сечений максимум 1.5 мм. Пришлось разрабатывать специальные кондукторы для юстировки — стандартные не обеспечивали нужную точность. В прошлом году на объекте в Казани из-за экономии на этих приспособлениях получили расхождение в 4 мм по высоте 16 этажей — пришлось демонтировать три секции.

Стыковые соединения — всегда слабое место. Перешли на фрикционные соединения с контролируемым натяжением высокопрочных болтов вместо сварки в полевых условиях. Да, дороже на 15-20%, но зато исключаем риски с непроварами и остаточными напряжениями.

Крановые работы требуют особого подхода. Стандартные стропы не подходят — деформируют тонкостенные сечения. Применяем траверсы с жесткими захватами, которые распределяют нагрузку по всей плоскости торца. Кстати, именно ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг поставляет комплектующие для таких траверс — они делают их под конкретный типоразмер колонн.

Расчетные особенности

В СП и Еврокодах есть формулы для коробчатых сечений, но они не учитывают реальные производственные допуски. На практике приходится вводить поправочный коэффициент 0.85-0.9 к расчетной устойчивости — из-за возможных отклонений геометрии. Особенно критично для высотных зданий с неравномерной ветровой нагрузкой.

Локальная устойчивость стенок — отдельная тема. При ширине полки более 500 мм обязательно нужны промежуточные ребра жесткости. Один проект пришлось переделывать на стадии рабочей документации — заказчик требовал уменьшить металлоемкость, убрав 'лишние' ребра. В итоге при испытаниях образец потерял устойчивость при нагрузке 82% от расчетной.

Тепловые воздействия часто недооценивают. Для стальных конструкций высотных зданий с коробчатыми колоннами перепад температур между солнечной и теневой стороной может достигать 40°C. Это дает дополнительные напряжения, которые могут 'съесть' до 12% несущей способности.

Производственные сложности

Контроль качества сварных швов — это 70% успеха. Ультразвуковой контроль каждой секции, причем не выборочно, а по всей длине шва. Обнаружили как-то скрытую трещину в зоне термического влияния — визуально шов был идеальным, но при нагрузке могло порвать.

Антикоррозионная защита внутри замкнутого сечения — часто делают по остаточному принципу. Мы разработали технологию напыления состава под давлением с последующей осушкой воздуха — без этого внутри скапливается конденсат. Кстати, у китайских коллег из Шэньси есть интересные наработки по цинкованию таких конструкций — они используют метод последовательного погружения с контролем температуры.

Геометрия — даже при идеальной сборке возможны отклонения. Допуск по перпендикулярности граней не более 1 мм на метр длины, иначе проблемы при монтаже неизбежны. На производстве используем лазерные трекеры для контроля геометрии каждой секции перед отгрузкой.

Реальные кейсы и ошибки

Торговый комплекс в Екатеринбурге — здесь пришлось комбинировать коробчатые колонны с ферменными системами. Интересный момент: в узлах сопряжения применили фрезерованную торцовку для идеального контакта поверхностей. Без этого не удалось бы обеспечить равномерное распределение нагрузки.

А вот неудачный опыт: в 2019 году попытались сэкономить на материале, применив коробчатые колонны с толщиной стенки 10 мм для 18-этажного здания. После монтажа появилась вибрация на верхних этажах — пришлось усиливать конструкцию дополнительными связями, что в итоге вышло дороже первоначального варианта.

Сейчас для объектов выше 75 метров используем только колонны коробчатого сечения с комбинированным сечением — наружная сталь плюс бетонное ядро. Технология отработана с партнерами из Китая, в частности с ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг — они поставляют готовые секции с технологическими отверстиями для последующего бетонирования.

Перспективы развития

Сейчас экспериментируем с добавлением углеволокна в состав стали — пока лабораторные испытания, но прочностные характеристики растут на 15-20% без увеличения массы. Правда, стоимость пока неподъемная для массового строительства.

Цифровые двойники — вот что реально меняет подход. Моделируем поведение коробчатых колонн в течение всего жизненного цикла здания. Уже сейчас видим, где можно оптимизировать сечение без потери несущей способности.

Модульное строительство с применением коробчатых колонн — перспективное направление. С коллегами из Шэньси обсуждаем возможность поставки готовых модулей с уже установленными инженерными системами. Их производственные мощности в районе Янлин позволяют делать секции длиной до 24 метров — это серьезное преимущество для скоростного монтажа.