钢结构厂房柱间支撑体系的分析(冯萍)

1、- PAGE 10 -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： 根根据上海海某大型型不锈钢钢工程主主厂房的的设计体体会，同同时参阅阅了国内内外有关关资料，对对柱间支支撑体系系的设计计，尤其其是柱间间支撑体体系的设设计原则则、形式式、刚度度、强度度和连接接进行分分析和探探讨，并并就支撑撑体系的的设计要要点提出出了建议议。关键词： 柱间支支撑 刚刚度 长细细比中图分类号号： 文文献标识识码：Analyysiss off Coolummn-aand-braace Sysstemm off Siinglle-sstorry Steell Stt

2、ruccturre BBuilldinngFeng Pinng(Depaartmmentt off ciivill ennginneerringg, SShannghaai MMetaalluurgiicall Deesiggn & Reeseaarchh Innstiitutte, Shaanghhai 20000700,Chhinaa)Abstrractt: TThe artticlle aanallyzees aand stuudiees tthe dessignn off coolummn-aand-braace sysstemm off thhe bbuilldinng aaccoo

3、rdiing to dessignningg thhe mmainn buuilddingg off thhe SShannghaai sstaiinleess steeel proojecct, esppeciiallly aabouut ddesiign priinciiplee, sstylle, riggidiity, sttrenngthh annd cconnnecttionn onn coolummn-aand-braace sysstemm. TThe keyy poointts oof tthe dessignn suuggeestiion on braacinng ssys

4、ttem aree allso proopossed.Keywoordss: CColuumn-andd-brracee; rrigiiditty; sleendeerneess rattio1 前言在单层钢结结构厂房房设计中中，支撑撑体系的的布置和和设计是是一个重重要的内内容。为为了保证证结构的的空间工工作，提提高结构构的整体体刚度，承承担和传传递水平平力（风风荷载、吊吊车水平平力、温温度作用用及地震震作用等等），防防止杆件件产生过过大的震震动，避避免压杆杆的侧向向失稳，以以及保证证结构安安装时的的稳定，应应根据结结构及其其荷载的的不同情情况设置置可靠的的支撑系系统。在在建筑物物每一个个温度

5、区区段或分分期建设设的区段段中，应应分别设设置独立立的空间间稳定的的支撑系系统。支支撑刚度度的大小小还直接接影响厂厂房的自自振特性性。地震震时，支支撑的强强度和刚刚度是否否满足要要求，直直接关系系到厂房房的安全全。因此此建造于于地震区区的厂房房，其支支撑系统统需要按按照抗震震要求进进行合理理设计。上海某大型型不锈钢钢工程主主厂房为为单层多多跨不等等高建筑筑，内部部设有多多层工作作平台及及各类操操作室，以以轴线尺尺寸计，新新建主厂厂房纵向向长4002m，横横向宽2291mm，在厂厂房中央央10列轴轴线部位位设一道道纵向伸伸缩缝，柱柱距有118m及及24mm两种。主主厂房柱柱网平面面图及下下柱柱间

6、间支撑布布置图见见图1。图1 某大型型工程柱柱网平面面图及下下柱柱间间支撑布布置图2 柱间支支撑体系系的设计计2.1 设设计原则则明确合理、简简捷地传传递纵向向水平作作用，尽尽量缩短短传力的的途径;保证结构体体系平面面外的稳稳定，为为结构和和构件的的整体稳稳定提供供侧向支支点;便于结构安安装；满足必要的的强度、刚刚度要求求，具有有可靠的的连接。2.2 支支撑的形形式柱间支撑的的形式对对整个厂厂房的纵纵向刚度度，自振振特性及及塑性铰铰产生部部位等有有重要影影响。柱柱间支撑撑由以下下各部分分组成：屋架端部高高度范围围内的垂垂直支撑撑和上、下下系杆；在吊车梁或或吊车桁桁架以上上至屋架架下弦间间设置的

7、的上段柱柱支撑；在吊车梁或或吊车桁桁架以下下至柱脚脚处设置置的下段段柱支撑撑和下段段柱系杆杆。上段柱支撑撑的形式式一般选选用十字字交叉形形、人字字形及KK形。当当柱间距距较大时时，上段段柱支撑撑还可采采用V形及八八字形，如如图2所示；下段柱柱支撑的的形式一一般选用用单层十十字交叉叉形、双双层十字字交叉形形、人字字形及KK形，当当柱距大大于和等等于122m，工工艺上有有特殊要要求时，可可采用门门形、LL形、刚刚架形、八八字形及及单斜杆杆等，如如图3所示。在本大型不不锈钢工工程主厂厂房柱间间支撑系系统中，以以上形式式大多涉涉及，总总的布置置原则是是在没有有生产工工艺要求求，且斜斜杆与水水平面的的夹

8、角在在35555的情况况下，多多选用十十字交叉叉形；如如遇跨度度与高度度相差较较大时，就就可选用用人字形形及K形或八八字形；当跨度度不大，柱柱边又必必须布置置设备时时，可选选用Y形，当当跨度较较大，而而Y形在刚刚度上又又无法满满足要求求时，就就必须选选用L形；刚刚架形下下柱支撑撑一般仅仅在特殊殊情况下下采用；当下柱柱较高时时，还可可采用多多种形式式的组合合。十字字交叉形形支撑由由于构造造简单、传传力直接接、用料料节省，所所以使用用最为普普遍。图2 上段柱柱支撑形形式图3 下下段柱支支撑形式式2.3 支支撑杆件件长细比比的重要要性根据我国对对部分城城市震害害调查统统计表明明，支撑撑的震害害率与支

9、支撑杆件件的长细细比有着着密切的的关系，其其统计数数据如表表1所示： 表1 震害调调查统计计数据柱撑位置上柱支撑下柱支撑斜杆长细比比250150破坏（压曲曲）率_39%50%29%50%此外，调查查还发现现冶金系系统的单单层厂房房，以往往的设计计虽也未未曾考虑虑抗震，但但往往因因重级制制吊车的的要求，下下柱支撑撑的长细细比常控控制在1150以以下，因因此，冶冶金厂房房柱间支支撑的破破坏率远远较其他他工业系系统厂房房的柱间间支撑的的破坏率率为低。在本大型不不锈钢工工程中，下下柱的主主要支撑撑构件的的截面大大小一般般由内力力控制，相相应构件件的长细细比多在在1000左右，有有的甚至至更小些些。由此

10、可见，柱柱间支撑撑不仅要要在强度度上满足足要求，而而且要具具有足够够的刚度度，使柱柱列在地地震时不不致产生生过大变变形，减减小支撑撑本身的的破坏率率，支撑撑杆件的的长细比比要适度度，不宜宜过大。2.4 支支撑杆件件的布置置及计算算在单层钢结结构厂房房设计中中，一般般情况下下，上柱柱截面高高度8000mm时时，在沿沿柱中心心线设置置单片支支撑，当当上柱截截面高度度8000mm或或设有通通行人孔孔时，在在沿柱两两翼缘的的内侧设设置双片片支撑。下下柱柱间间支撑多多采用双双片支撑撑，不管管采用何何种支撑撑形式，都都存在截截面择优优问题。截截面选择择得好，在在耗钢量量大致相相等的情情况下，截截面回转转半

11、径可可以增大大，从而而可以提提高支撑撑杆件的的稳定。在在本大型型不锈钢钢工程主主厂房柱柱间支撑撑系统设设计中，除除了多层层刚架处处采用单单片支撑撑，截面面采用TT形和H形；其其它上、下下柱柱间间支撑大大多采用用双片支支撑，截截面采用用H形和箱箱形。两两片支撑撑一般情情况做法法是用缀缀杆将它它们联系系在一起起，但考考虑到大大型工业业厂房的的特殊性性，不仅仅工艺复复杂，而而且管线线错综繁繁多，有有些管线线走向尚尚不明确确，各类类操作平平台众多多（很多多区域达达八层之之多），厂厂房总高高度超过过60mm。如果果仍按常常规思路路设计，不不仅设计计上将耗耗费大量量的精力力，而且且今后在在现场有有可能还还

12、将作部部分修改改，影响响工艺及及建筑要要求，更更重要的的是工厂厂制作麻麻烦，现现场吊装装及安装装复杂。因因此，在在较多人人字形及及K形支撑撑中，将将常规设设计中双双片支撑撑斜杆平平面外的的斜缀杆杆去除，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。在布置支撑撑时，每每一单元元长度内内的各柱柱列应在在其中部部或接近近中部的的开间内内，沿柱柱全高设设置一道道柱间支支撑，如如结构单单元较长长，宜在在单元长长度内的的1/33处的开开间内沿沿柱全高高设置两两道柱间间支撑。如如结构单单元长度度超过了了纵向温温度区段段长度规规定的数数值，或或者两道道下柱支支撑间

13、距距离大于于72mm时，应应计算柱柱间支撑撑的温度度应力。在支撑设计计中，厂厂房的纵纵向抗震震设计是是非常重重要的一一个环节节，计算算模型取取得正确确与否，直直接影响响支撑的的设计。根根据屋盖盖的形式式以及围围护墙不不同，有有多质点点空间结结构分析析法，修修正刚度度法，按按柱列刚刚度比例例分配的的刚度分分配法以以及按柱柱列承受受的重力力荷载代代表值的的比例分分配的柱柱列法。另另外，由由于中柱柱列的柱柱间支撑撑的震害害一般重重于边柱柱列的柱柱间支撑撑，在必必要情况况时，对对中柱列列的柱间间支撑可可以采用用内力提提高的方方法，予予以适当当加强。在本大型不不锈钢工工程主厂厂房柱间间支撑系系统设计计中

14、，由由于工艺艺布置的的要求，下下柱支撑撑分别设设置在二二个不同同跨度的的区间内内，其中中2/GG轴采用用如图44所示的的支撑布布置形式式。在此纵向温温度区段段内柱间间支撑计计算方法法如下：2.4.11手算由于结构和和荷载等等作用情情况复杂杂，且跨跨度和形形式不一一致，需需要反复复进行试试算和跌跌代，计计算工作作量很大大，而且且效果不不理想，其其结果可可用于截截面的初初选。图4 某大大型工程程2/GG轴的支支撑布置置形式2.4.22 机算算在手算粗估估的基础础上，利利用PKKPM钢钢结构模模块STTS-22进行建建模、分分析和计计算，考考虑到软软件对模模型节点点总数的的限制，仅仅取了下下柱支撑撑

15、进行验验算，为为了获取取两种支支撑的刚刚度比，采采用单位位水平荷荷载作用用下柱顶顶节点的的位移比比，就可可得出两两跨的刚刚度比，计计算简图图见图55，在计计算模型型中，柱柱与地面面连接为为铰接，构构件与构构件之间间连接均均为铰接接。然后后将荷载载作用下下的构件件的应力力求出，选选出合理理的可行行的截面面，再重重复求出出刚度比比，经反反复跌代代后得到到了可行行的构件件截面。2.4.33 STTAADDProo软件计计算与校校核为了使模型型更接近近实际， 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

16、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。从计算结果果可见，两两种软件件的结果果吻合性性很好。由由此我们们对跨度度不同的的支撑计计算作如如下建议议：1）对于于跨度不不等的支支撑，可可以通过过布置两两种不同同的支撑撑形式进进行调整整；2）两种种不同的的支撑可可以在电电脑软件件中分别别建模，比比较在单单位荷载载作用下下的位移移，在反反复调整整截面和和布置形形式，可可以得到到两者的的刚度比比；3）通过过软件进进行内力力计算和和截面的的校验，即即可定出出支撑截截面。图5 STSS-2软软件计算算简图图6 STAAADPPro 软件计计算简图图2.5 支支撑节点点设计支撑节点形形式应根根据支

17、撑撑构件、柱柱及梁的的截面形形状的不不同，而而采用合合理的节节点形式式。在本本大型不不锈钢工工程中，由由于厂房房总高大大于600m，很很多区域域的钢结结构平台台超过88层，吊吊车吨位位大，而而且上海海抗震设设防烈度度为7度，因因此，不不管是风风荷载起起控制作作用，还还是地震震力起控控制作用用，厂房房纵向水水平力都都是非常常大的，鉴鉴于以上上情况，采采用了翼翼缘不带带拼材的的栓焊混混用连接接形式，这这种形式式在高层层钢结构构中已普普遍应用用。这种种连接构构造具有有施工快快速，节节约拼材材，承载载力强，抗抗反复荷荷载性能能良好等等特点。螺螺栓采用用摩擦型型高强螺螺栓，它它较普通通螺栓具具有承载载力

18、可靠靠，抗反反复荷载载性能优优良，及及对大变变形有良良好的适适应性。但但是，这这种连接接形式一一般采用用先栓后后焊，故故螺栓预预拉力有有一些损损失，在在设计中中，应对对螺栓承承载力留留有一定定的余量量。有关焊缝，螺螺栓及节节点板的的计算在在此不再再赘述，必必须严格格按照规规范有关关公式进进行验算算，使节节点的承承载力高高于杆件件截面的的承载力力。总之，构件件节点是是保证结结构安全全的关键键部位，应应具有必必要的延延性，保保证焊接接质量，避避免应力力集中和和过大的的约束应应力，同同时便于于加工及及安装。3 结束语语在柱间支撑撑设计中中，支撑撑布置尽尽量合理理。支撑撑破坏率率与杆件件长细比比之间存存在着因因果关系系，建议议适当增增大支撑撑截面，能能够起到到提高支支撑抗震震能力的的作用。另另外，节节点的承承载力必必须大于于杆件截截面的承承载力。【参考文献献】包头钢铁设设计研究究院、中中国钢结结构协会会房屋建建筑钢结结构协会会编著