－Ｉ 中国鸯新技术企业 笪望 早层镧诘匏厂房往同又薛体系的分斫 ◇文／崔荣陈 【摘要】 根据某大型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 １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。 某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１Ｏ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。 Ｉ —－－‘—— 围１某工程柱罔平面图及下柱柱间支撑布置图 ２柱问支撑体系的设计 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 ３５０—５５０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 衷１曩害调查统计数据 柱撑位置 上柱支撵 下柱支撑 斜杆长细比【 】 ＜２００ ２ＯＯ～２５０ ＞２５０ ＜ｌ５０ ＞１５０ 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。 在本工程中，下柱的主要支撑构件的截面大小一般由内力控制， 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。 一２４１— 蠢 一鲤 ２．４．３ ＳＴＡＡＤＰｍ软件计算与校核 中国高斯技术企业 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≤ 为了使模型更接近实际，随后又采用了ＳＴＡＡＤＰｒｏ软件进行全 ８００ｒａｍ时，在沿柱中心线设置单片支撑．当上柱截面高度＞８００ｒａｍ或 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 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 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 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 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 大，从而可以提高支撑杆件的稳定。在本工程主厂房柱间支撑系统 不同的支撑计算作如下建议：１）对于跨度不等的支撑，可以通过布 设计中，除了多层刚架处采用单片支撑，截面采用Ｔ形和Ｈ形：其它 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 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 件中分别建模，比较在单位荷载作用下的位移，再反复调整截面和 撑一般情况做法是用缀杆将它们联系在一起，但考虑到本工业厂房 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 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 面的校验，即可定出支撑截面。 ４０ｍ。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问支撑，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问支撑。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。应计算柱问支撑的温度应力。 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． 计算模型取的正确与否，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 反复进行试算和迭代，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。 ■ ■ ＇＇ ・■＿ 、 一，｜、 ， 、 ｆ１、 Ｅ ， ’’■■ Ｊ — Ｌ ！ ’ ， —ｒ、 、 ＝ ； ● ■ｊ 一 ＿ Ｅ 蚤 ｌ Ｉ ／１、 Ｉ一＿一．Ｉ ｌ ＿一ｌｌ ｌ — 孽 一、 Ｉ Ｉ － 一‘ （ ｐ 每 ０ 《Ｄ 亩 亩 亩 日 Ｄ ｛ 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一２进行建 模、分析和计算，考虑到软件对模型节点总数的，仅取了下柱支 撑进行验算，为了获取两种支撑的刚度比，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，经反复迭代后得到了可行的构件截面。 一２４２ 图５ ＳＴＳ一２软件计算筒图 图６ ＳＴＡＡＤＰｒｏ 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。在本工程中，由于厂房总高大于４０ｍ，很多区域 的钢结构平台超过８层，吊车吨位大，而且抗震设防烈度为８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，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．建议适当增大吏撑截面．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 【１１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，２０００ ［２］刘大海扬翠如编著．厂房抗震设计［Ｍ】．北京：中国建筑工业出 版社．１９９７ 【３］ＧＢ５００１７—２００３．钢结构设计规范．北京：中国计划出版社，２００３ 『４１ ＧＢ５００１１—２００１．建筑抗震设计规范．北京：中国建筑工业出版社， ２００１ ［５】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 （作者单位系钢铁设计院有限责任公司）
