单层钢结构厂房柱间支撑分析李鹏飞

单层钢结构厂房柱间支撑分析李鹏飞

李鹏飞

山西中条山工程设计研究有限公司山西运城043700

摘要：由于钢结构厂房是新兴产业，发展不够完善，所以我国的单层结构厂房在应用过程中柱间支撑体系技术依然存在着很多问题，制约着钢结构厂房的进一步发展，并且可能会对在使用单层结构厂房时造成安全隐患，所以必须及时解决这些问题，以促进钢结构厂房的迅速发展。本文主要对单层钢结构厂房中柱间支撑体系的应用进行分析。

关键词：柱间支撑；单层钢结构厂房；结构计算分析

1.单层钢结构厂房柱间支撑的概述

在建筑物中应用柱间支撑的作用主要是使厂房的骨架具有良好的纵向刚度和整体稳定性。具有合理性和科学性的柱间支撑体系可有效避免杆件产生过大震动和压杆侧向失去稳定性，保证实施结构安装操作时具有良好的稳定性。单层钢结构厂房具有结构形式简单、大空间、大跨度，有利于结构构件设计标准化、生产工厂化和施工机械化的特点，因此，在工业建筑中应用非常广泛。稳定是钢结构中重要的问题，而钢结构厂房长度通常很长，跨度很大。为了保证整体结构稳定、承重结构正常工作，需加设柱间支撑、水平屋面支撑等结构系统。其中，柱间支撑是其重要的组成部分。本文以十字交叉支撑这一常用的形式为例，对钢结构厂房设计中柱间支撑的背景、计算及选取、要点和措施做简单的介绍和分析。

2.支撑设置的背景

《钢结构设计规范》强制规定：结构应根据其形式、组成和荷载的不同情况，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支撑系统。其主要目的是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，防止杆件产生过大的位移，避免压杆的侧向失稳以及保证结构安装时的稳定。从概念设计的角度，对于钢框架结构，如果不设支撑的话，单靠梁柱刚接节点来抵抗水平力，一般情况下，钢柱截面比较大。当单层框架的跨数不多且跨度不太大时，靠双向刚接框架抗侧力一般情况下没有问题。但当跨数较多或者跨度较大时，靠纯框架抵抗水平荷载所需的用钢量明显高于设置支撑体系所需用钢量，这时就需要适当设置支撑。因此，一方面，柱间支撑能够承受水平力，同时增加结构的多余约束，使机构成为静定或者是超静定体系，增强了整个结构体系的受力、抗震性能；另一方面，又能够增加结构刚度，减小位移，满足正常使用的要求。这两方面都有很好的经济效益，所以，在钢结构的设计中，柱间支撑的合理布置以及分析和计算是很重要的一部分。

3.柱间支撑的荷载计算及选取

本文中柱间支撑的选取采用图集《柱间支撑》。上柱柱间支撑的选取分别考虑风荷载与纵向地震作用；下柱柱间支撑的选取分别考虑风荷载与吊车纵向水平力组合及纵向地震作用。以某工程加压泵房为例：吊车10t，最大轮压169kN，基本风压0.65kN，地震烈度7度（0.15g），建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组第三组，特征周期0.45s。跨度15m，柱距6m，共9跨，上柱高3.6m，下柱高8.4m。厂房高12m。框架柱为H型钢柱，屋面为钢梁承重屋面。上柱柱间支撑布置3跨，下柱柱间支撑布置1跨。

3.1上柱柱间支撑荷载计算及选取

风荷载计算：山墙风→抗风柱及框架柱→屋盖→上柱柱间支撑端柱传给柱间支撑风荷载：

0.845kN/m2×5／2m×38×12m=9（标准值）（1）

作用于每道上柱柱间支撑风荷载：40kN8=13.3kN（2）

3.2下柱柱间支撑荷载计算及选取

（1）纵向吊车水平荷载计算吊车纵向水平荷载标准值，应按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用（《建筑结构荷载规范》GB50009）。

（2）作用于下柱地震荷载计算下柱柱间支撑总地震31.59kN3+62.1kN=157kN

（3）若厂房过高，外包墙有支撑于框架柱上时，该部分墙体的地震作用也应考虑。下柱柱间支撑选：ZCx-84-1x，所选支撑Vb2=262.37kN，VEb2=327.96kN[2]

4.交叉支撑的计算要点

一般对于交叉支撑的计算方法主要有两种，一种是按单拉杆设计，一种是考虑刚性支撑按一拉一压状态设计。钢框架结构一般较少有纯粹的“单拉支撑”，纯粹的拉杆和压杆，一般只在桁架中出现。支撑计算的相关要点如下：

4.1抗拉/抗压强度计算

一般情况下，交叉支撑用来抵抗水平力，此时应根据实际受力情况计算强度。个别情况下会用支撑来减小轴心受压构件的自由长度而不是用来抵抗水平力，这种情况下支撑轴力的计算应根据规范第5.1.7条计算。

4.2对截面2个主轴的整体稳定性计算（仅用于压杆）

计算轴心受压构件的稳定系数φ时，对于常用的单角钢、双角钢T形组合和十字形组合截面，均应考虑弯扭屈曲，即采用换算长细比计算。

4.3局部稳定性计算（仅用于压杆）

根据规范第5.4.1条计算，此时构件的局部稳定性也和构件的长细比有关。

4.4长细比计算

《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）中第9.2.15条中要求，柱间支撑的长细比限值，应符合现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017）的规定。

5.交叉支撑长细比计算实例

1个6m×6m区格的交叉支撑，采用等边角钢，交叉点处角钢背靠背连接，不断开。按照一般建筑计算其长细比。按设计常规，交叉支撑按拉杆设计，平面内计算长度取交叉点至端节点间距离，取最不利回转半径；平面外取两端节点间距离，不考虑另一杆的作用，取与角钢肢边平行轴的回转半径。根据《钢结构设计规范》，[λ]=400，选用L70×5，A=688mm2，ix=21.6mm，iy0=13.9mm，交叉杆件全长6000×√2=8486mm，半长4243mm。平面外：λx==393[λ]=400（受拉构件）（4）平面内：λy==305[λ]=400（受拉构件）（5）如果交叉支撑采用的是双角钢十字截面，则计算长度仍按照上述例子计算，此时采用的回转半径为单个角钢绕对称轴的回转半径iu。

6.柱间支撑的抗震构造措施

（1）当有吊车的时候需要设置上、下柱间支撑在厂房单元的中部，同时，还需要将上段柱柱间支撑增设在厂房单元的两端。当抗震设防烈度为7度的时候，结构的单元长度需<120m；当抗震设防烈度为8~9度的时候，结构单元长度需<90m。另外，最好是在单元中部的1/3区段内设置2道上、下段柱间支撑。（2）逐渐交叉支撑的长细比、支撑斜杆与水平面的夹角、支撑交叉点节点板的厚度规定如下：支撑杆件的长细比执行设定好的规定。支撑斜杆与水平面的夹角应≤55°。支撑交叉点的节点板厚度应≥10mm。（3）为了确保下柱支撑与柱脚连接位置和构造的质量，需要保证能够将地震作用直接传递到底部或柱底，这即要求支撑的交点需要位于基础的底部或柱底；而当6~7度无法直接传递到基础上的时候，需要估计出支撑对柱与基础产生的不利影响。（4）下段柱间支撑的基础顶部应设置混凝土拉梁与混凝土基础连成整体。

结束语

柱间支撑的设计直接关系到厂房的整体刚性，所以在单层钢结构厂房中应用柱间支撑体系时，应合理选择位置及截面，充分对多种因素进行综合性考虑，可有效提升柱间支撑体系的性能，进而提升单层钢结构厂房的整体刚度。

参考文献：

[1]郭静，杨晓东.单层钢结构厂房X型柱间支撑问题的探讨[J].钢结构，2012，11（5）615~616.

[2]姜宝东.单层厂房纵向抗震设计[J].黑龙江科技信息，2011，12（7）：485~486.