淺析單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱間支撐體系

王占彪

摘 要：隨著社會的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高，韌性好，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。但單層鋼結(jié)構(gòu)廠房空間作用在平面計(jì)算中考慮不夠全面，尤其是在風(fēng)荷載、地震力作用下廠房的空間作用比較明顯。平面計(jì)算模型并不能考慮所有的構(gòu)件，如柱間支撐、屋面支撐等。論文主要討論柱間支撐在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)體系中所起到的作用，并對柱間支撐的特點(diǎn)、作用、計(jì)算和構(gòu)造做簡單介紹和分析。

關(guān)鍵詞：單層鋼結(jié)構(gòu)；柱間支撐體系；工業(yè)廠房

1 前言

在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，支撐體系的布置和設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的內(nèi)容。為了保證結(jié)構(gòu)的空間工作，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，承擔(dān)和傳遞水平力（風(fēng)荷載、吊車水平力、溫度作用及地震作用等），防止桿件產(chǎn)生過大的震動，避免壓桿的側(cè)向失穩(wěn)，以及保證結(jié)構(gòu)安裝時(shí)的穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)及其荷載的不同情況設(shè)置可靠的支撐系統(tǒng)，在建筑物每一個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置獨(dú)立的空間穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)。

2 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱間支撐體系設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）明確合理、簡捷地傳遞縱向水平作用，盡量縮短傳力的途徑；（2）保證結(jié)構(gòu)體系平面外的穩(wěn)定，為結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的整體穩(wěn)定提供側(cè)向支點(diǎn)；（3）便于結(jié)構(gòu)安裝；（4）滿足必要的強(qiáng)度、剛度要求，具有可靠的連接。

2.2 支撐形式

柱間支撐的形式對整個(gè)廠房的縱向剛度，自振特性及塑性鉸產(chǎn)生部位等有重要影響。柱間支撐由以下各部分組成：（1）屋架端部高度范圍內(nèi)的垂直支撐和上、下系桿；（2）在吊車梁或吊車桁架以上至屋架下弦間設(shè)置的上段柱支撐；（3）在吊車梁或吊車桁架以下至柱腳處設(shè)置的下段柱支撐和下段柱系桿。上段柱支撐的形式一般選用十字交叉形、人字形及K形[1]。當(dāng)柱間距較大時(shí)，上段柱支撐還可采用V形及八字形，下段柱支撐的形式一般選用單層十字交叉形、雙層十字交叉形、人字形及K形，當(dāng)柱距大于和等于12m，工藝上有特殊要求時(shí)，可采用門形、L形、剛架形、八字形及單斜桿等。在單層主廠房柱間支撐系統(tǒng)中，以上形式大多涉及，總的布置原則是在沒有生產(chǎn)工藝要求，且斜桿與水平面的夾角在35°～55°的情況下，多選用十字交叉形；如遇跨度與高度相差較大時(shí)，就可選用人字形及K形或八字形；當(dāng)跨度不大，柱邊又必須布置設(shè)備時(shí)，可選用Y形，當(dāng)跨度較大，而Y形在剛度上又無法滿足要求時(shí)，就必須選用L形；剛架形下柱支撐一般僅在特殊情況下采用；當(dāng)下柱較高時(shí)，還可采用多種形式的組合。十字交叉形支撐由于構(gòu)造簡單、傳力直接、用料節(jié)省，所以使用最為普遍。

2.3 支撐桿長細(xì)比重要性

冶金系統(tǒng)的單層廠房，以往的設(shè)計(jì)雖也未曾考慮抗震，但往往因重級制吊車的要求，下柱支撐的長細(xì)比常控制在150以下，因此，冶金廠房柱間支撐的破壞率遠(yuǎn)較其他工業(yè)系統(tǒng)廠房的柱間支撐的破壞率為低。一般情況下，下柱的主要支撐構(gòu)件的截面大小由內(nèi)力控制，相應(yīng)構(gòu)件的長細(xì)比大多在100左右，有的甚至更小些。由此可見，柱間支撐不僅要在強(qiáng)度上滿足要求，而且要具有足夠的剛度，使柱列在地震時(shí)不致產(chǎn)生過大變形，減小支撐本身的破壞率，支撐桿件的長細(xì)比要適度，不宜過大。

3 支撐桿設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 支撐桿設(shè)計(jì)方案

一般情況下在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，上柱截面高度≤800mm時(shí)，在沿柱中心線設(shè)置單片支撐；當(dāng)上柱截面高度≥800mm時(shí)或設(shè)有通行人孔時(shí)，在沿柱兩翼緣的內(nèi)側(cè)設(shè)置雙片支撐。下柱柱間支撐多采用雙片支撐，不管采用何種支撐形式，都存在截面擇優(yōu)問題。截面選擇得好，在耗鋼量大致相等的情況下，截面回轉(zhuǎn)半徑可以增大，從而可以提高支撐桿件的穩(wěn)定。在一般的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了多層剛架處采用單片支撐，截面采用T形和H形，其它上、下柱柱間支撐大多采用雙片支撐，截面采用H形和箱形。雙片支撐一般情況是用綴桿將它們聯(lián)系在一起，但考慮到大型工業(yè)廠房的特殊性，不僅工藝復(fù)雜，而且管線錯(cuò)綜繁多，有些管線走向尚不明確，各類操作平臺眾多（很多區(qū)域達(dá)八層之多），廠房總高度超過60m。如果仍按常規(guī)思路設(shè)計(jì)，不僅設(shè)計(jì)上將耗費(fèi)大量的精力，而且今后在現(xiàn)場有可能還將作部分修改，影響工藝及建筑要求，更重要的是工廠制作麻煩，現(xiàn)場吊裝及安裝復(fù)雜。因此，在較多人字形及K形支撐中，將常規(guī)設(shè)計(jì)中雙片支撐斜桿平面外的斜綴桿去除，H形截面改成臥放，然后再做再分桿，在桿件計(jì)算長度不大的情況下，效果比較好，用鋼量也增加很少[2]。在布置支撐時(shí)，每一單元長度內(nèi)的各柱列應(yīng)在其中部或接近中部的開間內(nèi)，沿柱全高設(shè)置一道柱間支撐，如結(jié)構(gòu)單元較長，宜在單元長度內(nèi)的1/3處的開間內(nèi)沿柱全高設(shè)置兩道柱間支撐。如結(jié)構(gòu)單元長度超過了縱向溫度區(qū)段長度規(guī)定的數(shù)值，或者兩道下柱支撐間距離大于72m時(shí)，應(yīng)計(jì)算柱間支撐的溫度應(yīng)力。在支撐設(shè)計(jì)中，廠房的縱向抗震設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，計(jì)算模型取得正確與否，直接影響支撐的設(shè)計(jì)。根據(jù)屋蓋的形式以及圍護(hù)墻不同，有多質(zhì)點(diǎn)空間結(jié)構(gòu)分析法，修正剛度法，按柱列剛度比例分配的剛度分配法以及按柱列承受的重力荷載代表值的比例分配的柱列法。另外，由于中柱列的柱間支撐的震害一般重于邊柱列的柱間支撐，在必要情況時(shí)，對中柱列的柱間支撐可以采用內(nèi)力提高的方法，予以適當(dāng)加強(qiáng)。柱間支撐的布置還應(yīng)考慮到工藝設(shè)備布置的要求，不能盲目教條的布置，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做出必要變動，但不能影響到安全使用。

3.2 支撐桿件的計(jì)算及設(shè)計(jì)

一般情況下，本文作者手算粗略計(jì)算出柱間支撐的截面大小，再利用PKPM鋼結(jié)構(gòu)模塊STS-2進(jìn)行建模、分析和計(jì)算，復(fù)合驗(yàn)算先前手算之結(jié)果。為了獲取柱間支撐的剛度比，采用單位水平荷載作用下柱頂節(jié)點(diǎn)的位移比，就可得出需要的剛度比。一般地，重型及跨度較大的鋼結(jié)構(gòu)廠房剛架柱與基礎(chǔ)連接為剛接，輕型廠房剛架柱與基礎(chǔ)連接為鉸接，柱間支撐與剛架柱之間連接均為鉸接。然后將荷載作用下的構(gòu)件的應(yīng)力求出，選出合理的可行的截面，再重復(fù)求出剛度比，經(jīng)反復(fù)迭代后得到了可行的構(gòu)件截面。，隨后可以采用STAADPor軟件進(jìn)行全結(jié)構(gòu)建模，對已選結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算與校核。同樣在計(jì)算模型中，剛架柱與基礎(chǔ)，柱間支撐與剛架柱之間連接方式與上述一致。進(jìn)一步驗(yàn)證截面的選型的合理性和正確性。因此對柱間支撐計(jì)算建議：①對于跨度不等的柱間支撐，可以通過布置兩種不同的支撐形式進(jìn)行調(diào)整；②柱間支撐可以采用先手算，再在電腦軟件中分別建模，比較在單位荷載作用下的位移，在反復(fù)調(diào)整截面和布置形式，可以得到兩者的剛度比；③通過軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和截面的校驗(yàn)，即可定出支撐截面。支撐節(jié)點(diǎn)形式應(yīng)根據(jù)支撐構(gòu)件、柱及梁的截面形狀的不同，而采用合理的節(jié)點(diǎn)形式是至關(guān)重要的。一般地，在重型廠房設(shè)計(jì)中，廠房高度大，部分區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)平臺層數(shù)較多，吊車噸位大，且要考慮到抗震設(shè)防烈度及風(fēng)荷載。

4 結(jié)語

合理布置與設(shè)計(jì)柱間支撐體系，對整個(gè)建筑物整體作用的發(fā)揮、結(jié)構(gòu)及構(gòu)件穩(wěn)定性的保證、安裝架設(shè)的安全與方便都起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，可節(jié)約有關(guān)各方的投資。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊曉東，郭靜.單層鋼結(jié)構(gòu)廠房X型柱間支撐問題的探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2006（4）：53～56.

[2] 馮萍.單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱間支撐體系的分析[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（3）：223～226.