摘要：介紹了用于鋼結(jié)構(gòu)單層廠房（不考慮地震作用）柱間支撐的常用形式，布置方式及設(shè)計(jì)原則；著重闡述了有吊車系統(tǒng)的廠房上柱支撐，下柱支撐布置原則及選擇方法；解析了規(guī)范關(guān)于“布置下柱支撐的位置與溫度區(qū)段的關(guān)系”；總結(jié)了工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)遵循安全經(jīng)濟(jì)的原則更好地服務(wù)于建筑功能的要求。
　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)廠房，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，溫度區(qū)段，柱間支撐，強(qiáng)度，剛度，長(zhǎng)細(xì)比
　　前言：鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高，一般截面相對(duì)于砼來(lái)說(shuō)較小，這也就決定了穩(wěn)定是鋼結(jié)構(gòu)里重要的問(wèn)題，而鋼結(jié)構(gòu)廠房通常很長(zhǎng)結(jié)合鋼材對(duì)溫度的敏感性的特點(diǎn)就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中重視溫度應(yīng)力的影響合理地布置和設(shè)計(jì)支撐體系。下面闡述幾種支撐布置方法及應(yīng)用原理。
　　一.不考慮地震作用的無(wú)吊車系統(tǒng)的輕鋼廠房柱間支撐的設(shè)置：
　　對(duì)于沒(méi)有吊車系統(tǒng)的一般輕鋼廠房，可以只設(shè)置一層柱間支撐，如果廠房過(guò)高，導(dǎo)致柱間支撐角度過(guò)小，則須分層設(shè)置。
　　1.柱間支撐的作用：保證廠房骨架的整體穩(wěn)定和縱向剛度；作為柱的側(cè)向支撐借以決定柱在框架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度；承受廠房傳來(lái)的鋒利縱向水平荷載，主要是風(fēng)荷載。
　　2.柱間支撐布置原則：柱間支撐的間距-----當(dāng)無(wú)吊車時(shí)宜取30-45米；柱間支撐可以設(shè)在廠房端部第一柱間。為什么在溫度區(qū)段端部可以設(shè)置？主要原因：無(wú)吊車廠房一般情況柱間支撐僅承受由山墻傳來(lái)的風(fēng)載，風(fēng)荷載相對(duì)較小，廠房縱向的變形也較小，在柱上產(chǎn)生的次內(nèi)力（相對(duì)于橫向計(jì)算內(nèi)力）較小，因此可以設(shè)在廠房端部第一柱間。
　　3.柱間支撐采用的形式：通常，鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)往往優(yōu)先利用鋼材的抗拉，其次是抗壓（有軸壓失穩(wěn)問(wèn)題），再次是壓彎。因此，對(duì)于沒(méi)有吊車的一般輕鋼廠房，柱間支撐僅承受由山墻傳來(lái)的風(fēng)載，荷載較小，而且輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)多為壓型鋼板加保溫材料，對(duì)廠房的柱頂位移限值放得很寬，因此最廣泛采用的是十字交叉帶有張緊裝置（如花籃螺栓）的圓鋼做支撐，此時(shí)截面較小，構(gòu)件也比較輕巧，節(jié)省材料。當(dāng)然，采用圓鋼支撐,缺點(diǎn)是張緊裝置容易松弛，如果，張緊后將端部螺紋打毛（或采用雙螺帽，建議采用）可以在一定程度上減少圓鋼的松弛。
　　4.設(shè)計(jì)的原則：采用十字交叉的圓鋼做柔性支撐時(shí)原則是必須將圓鋼拉緊（圓鋼拉緊的程度以平面外有一定的剛度為準(zhǔn)），使其真正能夠傳遞縱向水平力，當(dāng)然,如果未張緊，這將影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性；至于在一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中設(shè)幾道支撐，由縱向水平力，鋼筋直徑和布置原則確定；圓鋼的大小由支撐承受的荷載決定，要明確一點(diǎn)的是規(guī)范對(duì)張緊的圓鋼的長(zhǎng)細(xì)比是沒(méi)有限制的（無(wú)須驗(yàn)算長(zhǎng)細(xì)比，只要抗拉承載力滿足即可）。
　　二.不考慮地震作用的有吊車系統(tǒng)的廠房柱間支撐的設(shè)置：
　　對(duì)于有吊車系統(tǒng)的廠房，一般要設(shè)置上下兩層柱間支撐（上柱支撐，下柱支撐），并且吊車梁可以代替剛性系桿（如果只設(shè)一層，平面外會(huì)有吊車的縱向剎車力作用在柱中間，對(duì)于鋼柱本身不利）。
　　1.上柱支撐的作用及布置原則——吊車梁以上的支撐，傳遞屋架(上、下弦)橫向支撐傳來(lái)的縱向風(fēng)力和保證廠房的整體穩(wěn)定及縱向剛度。布置原則：溫度區(qū)段的兩端和有下柱支撐的開間中。
　　2.下柱支撐的作用及布置原則——吊車梁以下的支撐。作用：1）保證廠房的空間剛度；2）傳遞山墻風(fēng)力；3）傳遞吊車縱向剎車力。布置原則：當(dāng)有吊車時(shí)宜設(shè)在溫度區(qū)段中部，或當(dāng)溫度區(qū)段較長(zhǎng)（L＞90m）時(shí)宜設(shè)在三分點(diǎn)處，且間距不宜大于60米。注意在溫度區(qū)段端部不宜設(shè)置下柱剛性支撐。為什么在溫度區(qū)段端部不宜設(shè)置下柱剛性支撐？主要原因：下柱支撐布置在溫度區(qū)段的中間（這在混凝土結(jié)構(gòu)中有類似的規(guī)定，只是把柱間支撐換成了剪力墻），使廠房在溫度變化時(shí)能夠從支撐向兩側(cè)伸縮，以減小支撐，柱子與縱向構(gòu)件的溫度應(yīng)力；而如果布置在溫度區(qū)段端部，則限制了廠房的縱向變形。另外柱間支撐主要是提供廠房的縱向剛度，因計(jì)算時(shí)一般只計(jì)算橫向平面，作為平面問(wèn)題處理，但如果廠房有較大噸位吊車，其縱向剎車力較大，若在廠房端部設(shè)置落地支撐（上下都有），限制了廠房的縱向變形，在柱縱向產(chǎn)生的次內(nèi)力就比較大，由于在計(jì)算柱子時(shí)沒(méi)有考慮該內(nèi)力，柱子設(shè)計(jì)將偏于不安全。綜合以上兩方面，宜在端部?jī)H設(shè)置上柱支撐（對(duì)于有較大吊車的廠房，上柱截面通常比下柱截面小很多，上柱段的側(cè)向剛度較小，不會(huì)因其上柱間支撐布置在兩端而過(guò)分阻礙溫度變形和引起過(guò)大的溫度應(yīng)力），把下柱支撐設(shè)在第二開間，在第一柱距內(nèi)用吊車梁代替剛性系桿，值得注意的是第一柱距內(nèi)的屋面應(yīng)在抗風(fēng)柱對(duì)應(yīng)位置設(shè)剛性系桿，屋面橫向支撐亦要設(shè)在第二柱距。系統(tǒng)的傳力途徑是：山墻處的水平荷載——剛性系桿——屋面橫向支撐——柱間支撐——基礎(chǔ)。
　　3.柱間支撐采用的形式：1）上柱支撐：通常采用張緊的十字交叉圓鋼做支撐；對(duì)于廠房吊車為重級(jí)工作制，上柱支撐采用圓鋼支撐,則容易松弛，即使是用花籃螺栓,也很難保證；并且吊車的重量會(huì)對(duì)上柱支撐的地震荷載計(jì)算產(chǎn)生一定的影響，綜合考慮最好采用常見的單角鋼十字交叉支撐。2）下柱支撐（剛性支撐）：下柱支撐一般采用十字交叉單片支撐（單個(gè)角鋼或兩個(gè)角鋼組成的T型截面）；對(duì)于起重量大于16噸的廠房宜采用雙片支撐（采用不等邊角鋼以長(zhǎng)邊與柱翼緣相連，兩片支撐之間以附加系桿相連，也可以是兩個(gè)槽鋼，H型鋼，鋼管）等型鋼組成格構(gòu)式十字交叉剛性支撐（截面大小由支撐承受的平面內(nèi)荷載決定）。
　　4.設(shè)計(jì)的原則：1）支撐主要承受的荷載：上柱支撐主要承受風(fēng)荷載，下柱支撐除承受風(fēng)力荷載以外，還承受吊車的縱向水平荷載。2）桿件截面必須滿足長(zhǎng)細(xì)比和計(jì)算求得的內(nèi)力要求。3）十字交叉支撐，宜按一拉一壓進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖（如圖1）。
　　三.在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中關(guān)于柱間支撐幾個(gè)問(wèn)題的討論與解析：
　　1.關(guān)于一般柱間支撐采用角鋼和鋼管的優(yōu)缺點(diǎn)比較：1）角鋼：柱間支撐如果按壓桿的長(zhǎng)細(xì)比設(shè)計(jì)，支撐的平面內(nèi)和平面外的長(zhǎng)細(xì)比是不同的：平面內(nèi)在中點(diǎn)有支撐點(diǎn)，回轉(zhuǎn)半徑可較小；而平面外按全長(zhǎng)計(jì)算，要求回轉(zhuǎn)半徑較大。因此很多設(shè)計(jì)師利用其特性采用角鋼做柱間支撐。另外，采用角鋼作支撐，截面不宜小于L75X6，對(duì)于雙片支撐之間的綴條，其截面一般不小于L50X5。2）鋼管：鋼管與不等邊角鋼相比，最惹人關(guān)注的是單位的用鋼量能提供更大的回轉(zhuǎn)半徑。例如：2L100×80×10，A=34.33，ix=2.35，iy=4.78(t=10)，180×5.0管，A=27.49，i=6.19，就這幾個(gè)簡(jiǎn)單比較可以看出，角鋼組合截面雖然具有平面內(nèi)、外不等的特性，但這個(gè)概念不解決角鋼本身斷面的不合理性，而且鋼管占用的水平尺寸小，利于其它專業(yè)工作；鋼管最令人不滿的是價(jià)錢高，140×4.5管，A=19.16，i=4.79，角鋼的截面積是圓管的1.8倍，圓管的價(jià)格與角鋼比差不多要接近兩倍。基于以上兩點(diǎn)鋼管與不等邊角鋼算個(gè)相當(dāng)。當(dāng)然，鋼管在施工制作時(shí)相對(duì)麻煩一點(diǎn)，放樣時(shí)務(wù)必準(zhǔn)確無(wú)誤，否則需要現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)明火，帶來(lái)不必要的安全隱患。另外，值得注意的是關(guān)于鋼管的壁厚，很多人為了追求長(zhǎng)細(xì)比和自重輕，大多選擇薄壁鋼管，甚至有用2.5厚的，一旦有腐蝕情況或者鋼管本身質(zhì)量不行，是非常容易出現(xiàn)鋼管本身破壞的情況的，并且，如此薄的鋼管，節(jié)點(diǎn)連接處理也無(wú)法很好保證。我個(gè)人看法:壁厚不小于4.5為佳。
　　2.關(guān)于柱間支撐是圓鋼時(shí)長(zhǎng)度不夠的處理方法（這是個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題,用花籃螺栓最好,但是就生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)更喜歡用焊接）：
　　方法一：將要搭接的圓鋼端部車絲，使用花籃螺栓連接起來(lái)（如圖2），此種方法避免了搭接焊接的偏心，充分利用了花籃螺栓張緊性能，但是施工復(fù)雜一般設(shè)計(jì)不采用。方法二：鋼筋焊接技術(shù)規(guī)程里規(guī)定以下兩種方式但是（圖3）這樣有個(gè)弊端就是產(chǎn)生偏心,且不好看；要是改為（圖4）軸心對(duì)接,在兩側(cè)加兩段5d的鋼筋焊接會(huì)更好：既美觀又避免了偏心。
　　3.關(guān)于柱間支撐的夾角：柱間支撐的夾角宜控制在35～55度。1）支撐角度過(guò)小或過(guò)大對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響：首先斜撐所受的力為P/cosθ，角度越小，其所受的力越小，即起不到支撐的作用，反之角度越大，會(huì)導(dǎo)致因縱向水平力而產(chǎn)生的垂直力較大，對(duì)斜撐和鋼柱很不利；其次角度過(guò)小或過(guò)大，節(jié)點(diǎn)板也隨之增大，對(duì)節(jié)點(diǎn)板的受力及制作和加工都不利。2）當(dāng)柱間支撐受柱高和柱距的限制斜撐與水平面的夾角不能控制在35～55度之間時(shí)，最好采取以下措施予以避免：夾角小于35度（高大廠房）時(shí)可以采取分層的方法（如圖5）；夾角大于55度時(shí)可以采用桁架支撐（如圖6）。
　　四.小結(jié)：
　　總之，廠房支撐體系的布置和設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體情況統(tǒng)盤考慮，靈活處理，柱間支撐應(yīng)該遵循以簡(jiǎn)單有效而可靠的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的原則，以保證建筑結(jié)構(gòu)在安裝和使用時(shí)的整體穩(wěn)定，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的空間工作，并使所受的水平荷載以簡(jiǎn)捷，明確，可靠，直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。
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