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1、单层钢结构厂房柱间支撑体系的分析冯 萍（上海冶金设计研究院 建筑结构室，上海，200070）摘要： 根据上海某大型不锈钢工程主厂房的设计体会，同时参阅了国内外有关资料，对柱间支撑体系的设计，尤其是柱间支撑体系的设计原则、形式、刚度、强度和连接进行分析和探讨，并就支撑体系的设计要点提出了建议。关键词： 柱间支撑 刚度 长细比中图分类号： 文献标识码：Analysis of Column-and-brace System of Single-story Steel Structure BuildingFeng Ping(Department of civil engineering, Shangh
2、ai Metallurgical Design & Research Institute, Shanghai 200070,China)Abstract: The article analyzes and studies the design of column-and-brace system of the building according to designing the main building of the Shanghai stainless steel project, especially about design principle, style, rigidity, s
3、trength and connection on column-and-brace system. The key points of the design suggestion on bracing system are also proposed.Keywords: Column-and-brace; rigidity; slenderness ratio1 前言在单层钢结构厂房设计中，支撑体系的布置和设计是一个重要的内容。为了保证结构的空间工作，提高结构的整体刚度，承担和传递水平力（风荷载、吊车水平力、温度作用及地震作用等），防止杆件产生过大的震动，避免压杆的侧向失稳，以及保证结构安装
4、时的稳定，应根据结构及其荷载的不同情况设置可靠的支撑系统。在建筑物每一个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置独立的空间稳定的支撑系统。支撑刚度的大小还直接影响厂房的自振特性。地震时，支撑的强度和刚度是否满足要求，直接关系到厂房的安全。因此建造于地震区的厂房，其支撑系统需要按照抗震要求进行合理设计。上海某大型不锈钢工程主厂房为单层多跨不等高建筑，内部设有多层工作平台及各类操作室，以轴线尺寸计，新建主厂房纵向长402m，横向宽291m，在厂房中央10列轴线部位设一道纵向伸缩缝，柱距有18m及24m两种。主厂房柱网平面图及下柱柱间支撑布置图见图1。图1 某大型工程柱网平面图及下柱柱间支撑布置图2
5、柱间支撑体系的设计2.1 设计原则1) 明确合理、简捷地传递纵向水平作用，尽量缩短传力的途径;2) 保证结构体系平面外的稳定，为结构和构件的整体稳定提供侧向支点;3) 便于结构安装；4) 满足必要的强度、刚度要求，具有可靠的连接。2.2 支撑的形式柱间支撑的形式对整个厂房的纵向刚度，自振特性及塑性铰产生部位等有重要影响。柱间支撑由以下各部分组成：1) 屋架端部高度范围内的垂直支撑和上、下系杆；2) 在吊车梁或吊车桁架以上至屋架下弦间设置的上段柱支撑；3) 在吊车梁或吊车桁架以下至柱脚处设置的下段柱支撑和下段柱系杆。上段柱支撑的形式一般选用十字交叉形、人字形及K形。当柱间距较大时，上段柱支撑还可
6、采用V形及八字形，如图2所示；下段柱支撑的形式一般选用单层十字交叉形、双层十字交叉形、人字形及K形，当柱距大于和等于12m，工艺上有特殊要求时，可采用门形、L形、刚架形、八字形及单斜杆等，如图3所示。在本大型不锈钢工程主厂房柱间支撑系统中，以上形式大多涉及，总的布置原则是在没有生产工艺要求，且斜杆与水平面的夹角在3555的情况下，多选用十字交叉形；如遇跨度与高度相差较大时，就可选用人字形及K形或八字形；当跨度不大，柱边又必须布置设备时，可选用Y形，当跨度较大，而Y形在刚度上又无法满足要求时，就必须选用L形；刚架形下柱支撑一般仅在特殊情况下采用；当下柱较高时，还可采用多种形式的组合。十字交叉形支
7、撑由于构造简单、传力直接、用料节省，所以使用最为普遍。图2 上段柱支撑形式图3 下段柱支撑形式2.3 支撑杆件长细比的重要性根据我国对部分城市震害调查统计表明，支撑的震害率与支撑杆件的长细比有着密切的关系，其统计数据如表1所示： 表1 震害调查统计数据柱撑位置上柱支撑下柱支撑斜杆长细比250150破坏（压曲）率_39%50%29%50%此外，调查还发现冶金系统的单层厂房，以往的设计虽也未曾考虑抗震，但往往因重级制吊车的要求，下柱支撑的长细比常控制在150以下，因此，冶金厂房柱间支撑的破坏率远较其他工业系统厂房的柱间支撑的破坏率为低。在本大型不锈钢工程中，下柱的主要支撑构件的截面大小一般由内力控
8、制，相应构件的长细比多在100左右，有的甚至更小些。由此可见，柱间支撑不仅要在强度上满足要求，而且要具有足够的刚度，使柱列在地震时不致产生过大变形，减小支撑本身的破坏率，支撑杆件的长细比要适度，不宜过大。2.4 支撑杆件的布置及计算在单层钢结构厂房设计中，一般情况下，上柱截面高度800mm时，在沿柱中心线设置单片支撑，当上柱截面高度800mm或设有通行人孔时，在沿柱两翼缘的内侧设置双片支撑。下柱柱间支撑多采用双片支撑，不管采用何种支撑形式，都存在截面择优问题。截面选择得好，在耗钢量大致相等的情况下，截面回转半径可以增大，从而可以提高支撑杆件的稳定。在本大型不锈钢工程主厂房柱间支撑系统设计中，除
9、了多层刚架处采用单片支撑，截面采用T形和H形；其它上、下柱柱间支撑大多采用双片支撑，截面采用H形和箱形。两片支撑一般情况做法是用缀杆将它们联系在一起，但考虑到大型工业厂房的特殊性，不仅工艺复杂，而且管线错综繁多，有些管线走向尚不明确，各类操作平台众多（很多区域达八层之多），厂房总高度超过60m。如果仍按常规思路设计，不仅设计上将耗费大量的精力，而且今后在现场有可能还将作部分修改，影响工艺及建筑要求，更重要的是工厂制作麻烦，现场吊装及安装复杂。因此，在较多人字形及K形支撑中，将常规设计中双片支撑斜杆平面外的斜缀杆去除，H形截面改成卧放，然后再做再分杆，在杆件计算长度不大的情况下，效果比较好，用钢
10、量也增加很少。在布置支撑时，每一单元长度内的各柱列应在其中部或接近中部的开间内，沿柱全高设置一道柱间支撑，如结构单元较长，宜在单元长度内的1/3处的开间内沿柱全高设置两道柱间支撑。如结构单元长度超过了纵向温度区段长度规定的数值，或者两道下柱支撑间距离大于72m时，应计算柱间支撑的温度应力。在支撑设计中，厂房的纵向抗震设计是非常重要的一个环节，计算模型取得正确与否，直接影响支撑的设计。根据屋盖的形式以及围护墙不同，有多质点空间结构分析法，修正刚度法，按柱列刚度比例分配的刚度分配法以及按柱列承受的重力荷载代表值的比例分配的柱列法。另外，由于中柱列的柱间支撑的震害一般重于边柱列的柱间支撑，在必要情况
11、时，对中柱列的柱间支撑可以采用内力提高的方法，予以适当加强。在本大型不锈钢工程主厂房柱间支撑系统设计中，由于工艺布置的要求，下柱支撑分别设置在二个不同跨度的区间内，其中2/G轴采用如图4所示的支撑布置形式。在此纵向温度区段内柱间支撑计算方法如下：2.4.1手算由于结构和荷载等作用情况复杂，且跨度和形式不一致，需要反复进行试算和跌代，计算工作量很大，而且效果不理想，其结果可用于截面的初选。图4 某大型工程2/G轴的支撑布置形式2.4.2 机算在手算粗估的基础上，利用PKPM钢结构模块STS-2进行建模、分析和计算，考虑到软件对模型节点总数的限制，仅取了下柱支撑进行验算，为了获取两种支撑的刚度比，
12、采用单位水平荷载作用下柱顶节点的位移比，就可得出两跨的刚度比，计算简图见图5，在计算模型中，柱与地面连接为铰接，构件与构件之间连接均为铰接。然后将荷载作用下的构件的应力求出，选出合理的可行的截面，再重复求出刚度比，经反复跌代后得到了可行的构件截面。2.4.3 STAADPro软件计算与校核为了使模型更接近实际， 随后又采用了STAADPro软件进行全结构建模，对已选结构进行内力计算与校核，计算简图见图6。同样在计算模型中，柱与地面连接为铰接，构件与构件之间连接均为铰接。进一步验证截面的选型的合理性和正确性。从计算结果可见，两种软件的结果吻合性很好。由此我们对跨度不同的支撑计算作如下建议：1）对
13、于跨度不等的支撑，可以通过布置两种不同的支撑形式进行调整；2）两种不同的支撑可以在电脑软件中分别建模，比较在单位荷载作用下的位移，在反复调整截面和布置形式，可以得到两者的刚度比；3）通过软件进行内力计算和截面的校验，即可定出支撑截面。图5 STS-2软件计算简图图6 STAADPro 软件计算简图2.5 支撑节点设计支撑节点形式应根据支撑构件、柱及梁的截面形状的不同，而采用合理的节点形式。在本大型不锈钢工程中，由于厂房总高大于60m，很多区域的钢结构平台超过8层，吊车吨位大，而且上海抗震设防烈度为7度，因此，不管是风荷载起控制作用，还是地震力起控制作用，厂房纵向水平力都是非常大的，鉴于以上情况
14、，采用了翼缘不带拼材的栓焊混用连接形式，这种形式在高层钢结构中已普遍应用。这种连接构造具有施工快速，节约拼材，承载力强，抗反复荷载性能良好等特点。螺栓采用摩擦型高强螺栓，它较普通螺栓具有承载力可靠，抗反复荷载性能优良，及对大变形有良好的适应性。但是，这种连接形式一般采用先栓后焊，故螺栓预拉力有一些损失，在设计中，应对螺栓承载力留有一定的余量。有关焊缝，螺栓及节点板的计算在此不再赘述，必须严格按照规范有关公式进行验算，使节点的承载力高于杆件截面的承载力。总之，构件节点是保证结构安全的关键部位，应具有必要的延性，保证焊接质量，避免应力集中和过大的约束应力，同时便于加工及安装。3 结束语在柱间支撑设
15、计中，支撑布置尽量合理。支撑破坏率与杆件长细比之间存在着因果关系，建议适当增大支撑截面，能够起到提高支撑抗震能力的作用。另外，节点的承载力必须大于杆件截面的承载力。【参考文献】1 包头钢铁设计研究院、中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会编著.钢结构设计与计算 M.北京:机械工业出版社,20002 刘大海 杨翠如编著.厂房抗震设计M. 北京:中国建筑工业出版社,19973 GBJ17-88.钢结构设计规范S. 北京:中国建筑工业出版社,19884 GB50011-2001.建筑抗震设计规范S. 北京:中国建筑工业出版社,20015 YB9081-97.冶金建筑抗震设计规范S. 北京:冶金工业出版社,19976 徐永基 刘大海 钟锡根 杨翠如编著.高层建筑钢结构设计M.西安:陕西科学技术出版社,1993- 8 -
