單層工業(yè)廠房雙肢格構柱下柱人孔問題的研究

趙博

摘要：鋼結構工業(yè)廠房在設置有參觀走臺時，廠房柱下柱將增設人孔。本文通過對于重型單層鋼結構工業(yè)廠房格構式柱下柱人孔的定性分析，指出了目前常用處理方式的不合理性。通過對幾種計算模型的桿系力學模型的結構分析，得出了作者對于此類型結構的初步定性分析結論，并提出了兩種較為合理的處理方式建議。

關鍵詞：鋼結構單層廠房格構柱綴條人孔結構分析

中圖分類號：TU391文獻標識碼：A 文章編號：

一、背景

對于一般的重型單層工業(yè)廠房，目前絕大多數(shù)都采用鋼結構形式，排架結構體系。而排架結構中的柱較多采用分段柱的形式，也就是平常所說的上、中、下柱等。作為主要承擔上柱傳下來的荷載以及吊車荷載的下柱，則多數(shù)采用雙肢格構柱的形式。如圖一所示：

圖一中，綴條的主要作用是傳遞水平荷載，包括風荷載、吊車水平荷載等等。其工作原理與桁架結構的腹桿類似，以軸向力的形式傳遞荷載。由于鋼結構本身抗軸壓的能力比較好，因此綴條截面一般不會很大，絕大多數(shù)廠房的綴條截面都采用T型鋼或角鋼。

對于一般情況，采用綴條傳遞水平荷載，受力明確，構造簡單，直接由綴條與柱肢構成桁架結構，將水平力以軸力形式傳與基礎。

但是，部分工業(yè)廠房內設置有參觀走臺。參觀走臺設置的標高較低，一般都在下柱標高范圍內。因此，對于參觀走臺穿過廠房柱的情況，則需在下柱設置人孔。

當廠房柱下柱設置人孔時，則絕大多數(shù)情況不可避免的要打斷綴條。這樣造成了桁架結構的腹桿中斷，也就造成了水平力的傳遞不能直接通過軸向力傳遞，而必須通過彎矩形式傳遞到下面的綴條上。這就對兩個柱肢的剛度提出了更高的要求，必須要進行加強才能保證彎矩的有效傳遞。

對于這個問題，有一種普遍做法是在人孔處進行加強。以焊接H型鋼為例：加強方式如下圖二所示：

這種加強方式，將以彎矩的形式進行荷載傳遞。人孔部分得到足夠加強，能夠保證人孔部分有效承擔和傳遞水平荷載所產(chǎn)生的彎矩。但是，當彎矩傳至沒有綴條節(jié)點的柱肢時，柱肢部分則也需要傳遞彎矩，并且在絕大多數(shù)情況下，是以型鋼的弱軸方向承擔。此時，柱肢的剛度相對人孔部分剛度突然下降，形成了剛度的突變點。在此種情況下，柱肢處能否有效傳遞和承受由人孔部分傳遞過來的荷載則有待研究。

二、分析計算

為尋求此類結構的受力特點，筆者計算了彈性狀態(tài)下此類結構受到水平力作用下的整體受力情況。

1. 計算模型的簡化

（1）將肩梁以上部分省略，以橫桿綴條代替。（2）模型以桿系結構進行彈性分析。上述簡化對于綴條及人孔部分以及柱肢的定性關系分析是沒有過大影響的。

2. 計算荷載及截面設定

（1）水平力100；（2）柱肢平面內抗彎剛度1；（3）綴條抗彎剛度0.2；（4）人孔各加強區(qū)域抗彎剛度均為6。

3. 計算結果及分析

按照上述的計算模型及假定，筆者計算了三種情況下廠房下柱的彎矩及軸力內力圖，以期進行定性的分析。

第一種情況（圖三、圖四）：僅在人孔處進行加強處理。其中，在圖三（計算模型1）中，人孔上下與沒有綴條節(jié)點的處的柱肢連接以鉸接節(jié)點模型計算。圖四（計算模型2）中，人孔上下與沒有綴條節(jié)點的處的柱肢連接以剛接節(jié)點模型計算。

從圖中計算結果可以看出，雖然圖三中，只在人孔加強區(qū)域產(chǎn)生彎矩，而柱肢、綴條也只有軸力傳遞。但是，由于柱肢與人孔為鉸接連接，勢必將產(chǎn)生相對轉動。這對于柱肢來說是不可接受的，將直接導致柱肢變形過大而引起整個結構體系的破壞。

而圖四中，柱肢剛接連接部分產(chǎn)生較大彎矩，甚至大于人孔加強區(qū)域。而一般在工程中，柱肢平面外方向的抗彎性能較差，將難以抵抗產(chǎn)生的過大彎矩。從本模型的截面定義來看，這樣的彎矩分配也是不合理的。

若將人孔上下與沒有綴條節(jié)點的處的柱肢進行加強，抗彎剛度調整為6，則彎矩圖為圖四中“（4）彎矩圖2”所示。此時，彎矩的分布比較均勻，柱肢由于加強了剛度，也能抵抗產(chǎn)生的彎矩。

第二種情況（圖五）：將人孔上下與柱肢連接處均設置綴條。雖然此時此處的節(jié)點也為鉸接，但由于增加了綴條，則不會產(chǎn)生過大的轉動。而此時，彎矩也將只產(chǎn)生于人孔加強部位，柱肢及綴條均只傳遞軸力，受力也將更為合理。

三、建議

從以上分析中可以看出，常用的僅在人孔處進行加強的方式，無論按照柱肢與人孔加強區(qū)域鉸接連接還是剛接連接的模型來進行計算，這種處理方式都有其不合理性。若按照鉸接連接，則會由于柱肢過大的相對轉動而引起整個結構體系的失效；若按照剛接連接，則柱肢會因為平面外方向抵抗不了過大的彎矩而破壞。

因此，筆者建議，在處理此類問題可采用以下兩種方式：

（1）人孔處進行加強處理，同時在人孔與柱肢連接處沒有綴條部分，將柱肢弱軸采取加強措施，以保證柱肢平面外剛度足以抵抗水平力所產(chǎn)生的彎矩。如圖六所示。對于焊接H型鋼或者槽鋼類的開口構件，可采用內外焊接T形鋼或T形鋼板的形式。

（2）人孔處進行加強處理，同時增加柱肢綴條，以保證水平力以軸力的形式可靠傳遞，并可起到限制柱肢轉動的作用。如圖七所示。

四、結論

對于單層鋼結構工業(yè)廠房，若出現(xiàn)雙肢柱下柱需要增設人孔或其它打斷連續(xù)綴條的情況，僅僅對于打斷部分的局部進行加強處理并非妥當。

在進行局部處理時，除需要考慮局部范圍內的截面剛度外，尚需考慮與之相關聯(lián)部分的受力及整體結構體系情況，并進行整體結構分析。根據(jù)整體分析計算的結果來采取相應有效的處理措施。

本文中，僅僅對于雙肢柱下柱開人孔情況的加強處理方式進行了定性的分析。對于實際工程中與之相同或類似的情況，尚需進行更為細致的定量計算分析來進行有效的處理。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。