鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中隅撐的設(shè)計(jì)及等效換算計(jì)算長度

王立

在鋼結(jié)構(gòu)的工程史上，不乏因失穩(wěn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載能力的事故，這些事故都造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，其中一些還造成嚴(yán)重的人身傷亡事故。

鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)僅是平面外失穩(wěn)，鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定即為鋼結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)平面外的計(jì)算長度，一般取側(cè)向支撐點(diǎn)的距離，鋼結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定取決于鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)，整體穩(wěn)定系數(shù)包含計(jì)算長度、兩端約束情況、荷載作用等因素[1]。

1.隅撐的認(rèn)識

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中隅撐（如圖1）分為墻面隅和屋面隅撐。墻面隅撐是指鋼柱與墻面檁條之間的支撐構(gòu)件，一端鋼柱內(nèi)側(cè)翼緣連接，另一端連接在墻面檁條上。屋面隅撐是指鋼梁與屋面檁條之間的支撐構(gòu)件，一端與鋼梁下翼緣連接，另一端連接在屋面檁條上。隅撐通常為成對布置，山墻處剛架或門框柱處僅布置一側(cè)。隅撐一般用角鋼制作，隅撐與檁條的角度通常為40°～50°，隅撐在檁條上的支撐點(diǎn)位置通常在檁條形心線附近。隅撐與檁條采用普通螺栓連接，隅撐與鋼柱或鋼梁連接時(shí)，可以在鋼柱或鋼梁上焊連接板，然后隅撐的腹板與連接板采用普通螺栓連接，也可以用隅撐的翼緣直接與鋼柱或鋼梁的翼緣、腹板采用普通螺栓連接[2]。

圖1 隅撐連接大樣

2.隅撐的作用

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中鋼梁上翼緣和鋼柱外側(cè)翼緣有均勻布置的檁條，檁條上安裝著屋面板、墻面板，此時(shí)可以認(rèn)為鋼梁上翼緣和鋼柱外側(cè)翼緣的側(cè)向位移無法產(chǎn)生，但是整個截面還可以發(fā)生繞鋼梁上翼緣和鋼柱外側(cè)翼緣側(cè)向支承點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。在鋼梁下翼緣和鋼柱內(nèi)側(cè)翼緣受壓時(shí)，鋼梁或鋼柱可能發(fā)生繞定點(diǎn)軸的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)[3]。

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中的隅撐保證了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面外的穩(wěn)定性，減小鋼柱、鋼梁平面外的計(jì)算長度，防止了受壓翼緣（梁下翼緣和柱的內(nèi)側(cè)翼緣）屈曲失穩(wěn)。

3.隅撐的布置及設(shè)計(jì)要求

在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[4]中規(guī)定：主剛架斜梁翼緣和剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣的平面外穩(wěn)定應(yīng)由剛性系桿或隅撐保證，當(dāng)實(shí)腹式門式剛架的梁、柱翼緣受壓時(shí)，應(yīng)在受壓翼緣側(cè)布置隅撐。隅撐按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，隅撐能夠承受被支撐翼緣（受壓翼緣）局限軸力設(shè)計(jì)值的1/60，該壓力由左右兩隅撐共同承受，并分解到隅撐方向。隅撐在檁條上的支承點(diǎn)位置不低于檁條形心線。對需要進(jìn)行地震作用組合效應(yīng)驗(yàn)算的剛架，當(dāng)?shù)卣鹱饔眯?yīng)起控制作用時(shí)，在檐口或中柱的兩側(cè)三個檁距范圍內(nèi)，每道檁條處屋面梁均雙側(cè)布置隅撐，邊柱的檐口墻檁處也均雙側(cè)布置隅撐。

在以前的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員通常將鋼梁、鋼柱的平面外計(jì)算長度取兩倍的檁條間距，這是不對的，在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[4]已有詳細(xì)說明，本文不再贅述。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中規(guī)定“隅撐支撐的梁的計(jì)算長度不小于2 倍隅撐間距”。

4.工程算例對比及分析

工程概況及參數(shù)：某單層工業(yè)廠房，結(jié)構(gòu)形式為門式剛架，地震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；建筑抗震設(shè)防類別劃分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類；基本風(fēng)壓WO=0.4KN/m2,地面粗糙度：B 類；建筑場地類別為Ⅱ類；特征周期為0.35s；結(jié)構(gòu)的阻尼比0.05，檐口高度為8m，跨度取18m 計(jì)算，柱距取6m、8m、10m、12m 分別計(jì)算，檁條間距取1m、1.5m 分別計(jì)算。每道檁條均設(shè)置隅撐，平面外計(jì)算長度均取2 倍隅撐間距。主剛架材質(zhì)Q235B，檁條材質(zhì)Q345B。

現(xiàn)通過隅撐支撐剛架的彈性屈曲臨界彎矩（取兩倍檁距作為計(jì)算長度）作為斜梁的臨界彎矩反算斜梁平面外計(jì)算長度（見表1），隅撐支撐鋼架的彈性屈曲臨界彎矩公式：

表1 （計(jì)算跨度18m）

斜梁的臨界彎矩公式：

e 為隅撐在鋼梁上的支撐點(diǎn)到檁條形心垂直距離，β 為隅撐與檁條連接點(diǎn)至主梁的距離與檁條跨度的比值，Ip為檁條截面繞強(qiáng)軸的慣性矩，lp為檁條跨度，lkk為隅撐的間距，e1為鋼梁截面的剪心到檁條形心的距離，I1為未連接檁條的翼緣繞弱軸的慣性矩，I 為與檁條連接的翼緣繞弱軸的慣性矩，h 為大端截面上下翼緣中面間的距離，J 為大端截面自由扭轉(zhuǎn)常數(shù)，Iω為大端截面的翹曲慣性矩，Iy為鋼梁繞弱軸的慣性矩，L為鋼梁平面外計(jì)算長度。

通過上述計(jì)算實(shí)例可以看出，鋼梁翼緣越大、繞弱軸慣性矩越大，或檁條繞強(qiáng)軸慣性矩越小，檁條－隅撐體系的約束作用相對比較小，彈性屈曲臨界彎矩相對也比較小，等效換算的計(jì)算長度就越難滿足2 倍兩倍隅撐間距；剛架中鋼梁翼緣越小、繞弱軸慣性矩越小，或檁條繞強(qiáng)軸慣性矩越大，檁條－隅撐體系的約束作用相對比較大，彈性屈曲臨界彎矩相對也比較大，等效換算的計(jì)算長度越容易滿足兩倍隅撐間距；隅撐間距越小，等效換算的計(jì)算長度就越難滿足兩倍隅撐間距。

5.結(jié)論

通過上述計(jì)算實(shí)例可以看出剛架平面外計(jì)算長度取兩倍隅撐間距不是絕對的。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合鋼梁、鋼柱的平面外慣性矩與檁條平面內(nèi)慣性矩、檁條間距、檁條偏心距等因素提前評估剛架平面外計(jì)算長度，以免因剛架平面外計(jì)算長度選取失誤造成剛架平面外失穩(wěn)。