鋼結(jié)構(gòu)廠房柱間支撐體系的分析(馮萍)

1、- PAGE 10 -單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱間支撐體系的分析馮 萍（上海冶金設(shè)計研究院 建筑結(jié)構(gòu)室，上海，200070）摘要： 根根據(jù)上海海某大型型不銹鋼鋼工程主主廠房的的設(shè)計體體會，同同時參閱閱了國內(nèi)內(nèi)外有關(guān)關(guān)資料，對對柱間支支撐體系系的設(shè)計計，尤其其是柱間間支撐體體系的設(shè)設(shè)計原則則、形式式、剛度度、強度度和連接接進行分分析和探探討，并并就支撐撐體系的的設(shè)計要要點提出出了建議議。關(guān)鍵詞： 柱間支支撐 剛剛度 長細細比中圖分類號號： 文文獻標(biāo)識識碼：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 前言在單層鋼結(jié)結(jié)構(gòu)廠房房設(shè)計中中，支撐撐體系的的布置和和設(shè)計是是一個重重要的內(nèi)內(nèi)容。為為了保證證結(jié)構(gòu)的的空間工工作，提提高結(jié)構(gòu)構(gòu)的整體體剛度，承承擔(dān)和傳傳遞水平平力（風(fēng)風(fēng)荷載、吊吊車水平平力、溫溫度作用用及地震震作用等等），防防止桿件件產(chǎn)生過過大的震震動，避避免壓桿桿的側(cè)向向失穩(wěn)，以以及保證證結(jié)構(gòu)安安裝時的的穩(wěn)定，應(yīng)應(yīng)根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)及其其荷載的的不同情情況設(shè)置置可靠的的支撐系系統(tǒng)。在在建筑物物每一個個溫度

5、區(qū)區(qū)段或分分期建設(shè)設(shè)的區(qū)段段中，應(yīng)應(yīng)分別設(shè)設(shè)置獨立立的空間間穩(wěn)定的的支撐系系統(tǒng)。支支撐剛度度的大小小還直接接影響廠廠房的自自振特性性。地震震時，支支撐的強強度和剛剛度是否否滿足要要求，直直接關(guān)系系到廠房房的安全全。因此此建造于于地震區(qū)區(qū)的廠房房，其支支撐系統(tǒng)統(tǒng)需要按按照抗震震要求進進行合理理設(shè)計。上海某大型型不銹鋼鋼工程主主廠房為為單層多多跨不等等高建筑筑，內(nèi)部部設(shè)有多多層工作作平臺及及各類操操作室，以以軸線尺尺寸計，新新建主廠廠房縱向向長4002m，橫橫向?qū)?291mm，在廠廠房中央央10列軸軸線部位位設(shè)一道道縱向伸伸縮縫，柱柱距有118m及及24mm兩種。主主廠房柱柱網(wǎng)平面面圖及下下柱柱間

6、間支撐布布置圖見見圖1。圖1 某大型型工程柱柱網(wǎng)平面面圖及下下柱柱間間支撐布布置圖2 柱間支支撐體系系的設(shè)計計2.1 設(shè)設(shè)計原則則明確合理、簡簡捷地傳傳遞縱向向水平作作用，盡盡量縮短短傳力的的途徑;保證結(jié)構(gòu)體體系平面面外的穩(wěn)穩(wěn)定，為為結(jié)構(gòu)和和構(gòu)件的的整體穩(wěn)穩(wěn)定提供供側(cè)向支支點;便于結(jié)構(gòu)安安裝；滿足必要的的強度、剛剛度要求求，具有有可靠的的連接。2.2 支支撐的形形式柱間支撐的的形式對對整個廠廠房的縱縱向剛度度，自振振特性及及塑性鉸鉸產(chǎn)生部部位等有有重要影影響。柱柱間支撐撐由以下下各部分分組成：屋架端部高高度范圍圍內(nèi)的垂垂直支撐撐和上、下下系桿；在吊車梁或或吊車桁桁架以上上至屋架架下弦間間設(shè)置的

7、的上段柱柱支撐；在吊車梁或或吊車桁桁架以下下至柱腳腳處設(shè)置置的下段段柱支撐撐和下段段柱系桿桿。上段柱支撐撐的形式式一般選選用十字字交叉形形、人字字形及KK形。當(dāng)當(dāng)柱間距距較大時時，上段段柱支撐撐還可采采用V形及八八字形，如如圖2所示；下段柱柱支撐的的形式一一般選用用單層十十字交叉叉形、雙雙層十字字交叉形形、人字字形及KK形，當(dāng)當(dāng)柱距大大于和等等于122m，工工藝上有有特殊要要求時，可可采用門門形、LL形、剛剛架形、八八字形及及單斜桿桿等，如如圖3所示。在本大型不不銹鋼工工程主廠廠房柱間間支撐系系統(tǒng)中，以以上形式式大多涉涉及，總總的布置置原則是是在沒有有生產(chǎn)工工藝要求求，且斜斜桿與水水平面的的夾

8、角在在35555的情況況下，多多選用十十字交叉叉形；如如遇跨度度與高度度相差較較大時，就就可選用用人字形形及K形或八八字形；當(dāng)跨度度不大，柱柱邊又必必須布置置設(shè)備時時，可選選用Y形，當(dāng)當(dāng)跨度較較大，而而Y形在剛剛度上又又無法滿滿足要求求時，就就必須選選用L形；剛剛架形下下柱支撐撐一般僅僅在特殊殊情況下下采用；當(dāng)下柱柱較高時時，還可可采用多多種形式式的組合合。十字字交叉形形支撐由由于構(gòu)造造簡單、傳傳力直接接、用料料節(jié)省，所所以使用用最為普普遍。圖2 上段柱柱支撐形形式圖3 下下段柱支支撐形式式2.3 支支撐桿件件長細比比的重要要性根據(jù)我國對對部分城城市震害害調(diào)查統(tǒng)統(tǒng)計表明明，支撐撐的震害害率與支

9、支撐桿件件的長細細比有著著密切的的關(guān)系，其其統(tǒng)計數(shù)數(shù)據(jù)如表表1所示： 表1 震害調(diào)調(diào)查統(tǒng)計計數(shù)據(jù)柱撐位置上柱支撐下柱支撐斜桿長細比比250150破壞（壓曲曲）率_39%50%29%50%此外，調(diào)查查還發(fā)現(xiàn)現(xiàn)冶金系系統(tǒng)的單單層廠房房，以往往的設(shè)計計雖也未未曾考慮慮抗震，但但往往因因重級制制吊車的的要求，下下柱支撐撐的長細細比常控控制在1150以以下，因因此，冶冶金廠房房柱間支支撐的破破壞率遠遠較其他他工業(yè)系系統(tǒng)廠房房的柱間間支撐的的破壞率率為低。在本大型不不銹鋼工工程中，下下柱的主主要支撐撐構(gòu)件的的截面大大小一般般由內(nèi)力力控制，相相應(yīng)構(gòu)件件的長細細比多在在1000左右，有有的甚至至更小些些。由此

10、可見，柱柱間支撐撐不僅要要在強度度上滿足足要求，而而且要具具有足夠夠的剛度度，使柱柱列在地地震時不不致產(chǎn)生生過大變變形，減減小支撐撐本身的的破壞率率，支撐撐桿件的的長細比比要適度度，不宜宜過大。2.4 支支撐桿件件的布置置及計算算在單層鋼結(jié)結(jié)構(gòu)廠房房設(shè)計中中，一般般情況下下，上柱柱截面高高度8000mm時時，在沿沿柱中心心線設(shè)置置單片支支撐，當(dāng)當(dāng)上柱截截面高度度8000mm或或設(shè)有通通行人孔孔時，在在沿柱兩兩翼緣的的內(nèi)側(cè)設(shè)設(shè)置雙片片支撐。下下柱柱間間支撐多多采用雙雙片支撐撐，不管管采用何何種支撐撐形式，都都存在截截面擇優(yōu)優(yōu)問題。截截面選擇擇得好，在在耗鋼量量大致相相等的情情況下，截截面回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)半

11、徑可可以增大大，從而而可以提提高支撐撐桿件的的穩(wěn)定。在在本大型型不銹鋼鋼工程主主廠房柱柱間支撐撐系統(tǒng)設(shè)設(shè)計中，除除了多層層剛架處處采用單單片支撐撐，截面面采用TT形和H形；其其它上、下下柱柱間間支撐大大多采用用雙片支支撐，截截面采用用H形和箱箱形。兩兩片支撐撐一般情情況做法法是用綴綴桿將它它們聯(lián)系系在一起起，但考考慮到大大型工業(yè)業(yè)廠房的的特殊性性，不僅僅工藝復(fù)復(fù)雜，而而且管線線錯綜繁繁多，有有些管線線走向尚尚不明確確，各類類操作平平臺眾多多（很多多區(qū)域達達八層之之多），廠廠房總高高度超過過60mm。如果果仍按常常規(guī)思路路設(shè)計，不不僅設(shè)計計上將耗耗費大量量的精力力，而且且今后在在現(xiàn)場有有可能還還

12、將作部部分修改改，影響響工藝及及建筑要要求，更更重要的的是工廠廠制作麻麻煩，現(xiàn)現(xiàn)場吊裝裝及安裝裝復(fù)雜。因因此，在在較多人人字形及及K形支撐撐中，將將常規(guī)設(shè)設(shè)計中雙雙片支撐撐斜桿平平面外的的斜綴桿桿去除，H形截面改成臥放，然后再做再分桿，在桿件計算長度不大的情況下，效果比較好，用鋼量也增加很少。在布置支撐撐時，每每一單元元長度內(nèi)內(nèi)的各柱柱列應(yīng)在在其中部部或接近近中部的的開間內(nèi)內(nèi)，沿柱柱全高設(shè)設(shè)置一道道柱間支支撐，如如結(jié)構(gòu)單單元較長長，宜在在單元長長度內(nèi)的的1/33處的開開間內(nèi)沿沿柱全高高設(shè)置兩兩道柱間間支撐。如如結(jié)構(gòu)單單元長度度超過了了縱向溫溫度區(qū)段段長度規(guī)規(guī)定的數(shù)數(shù)值，或或者兩道道下柱支支撐間

13、距距離大于于72mm時，應(yīng)應(yīng)計算柱柱間支撐撐的溫度度應(yīng)力。在支撐設(shè)計計中，廠廠房的縱縱向抗震震設(shè)計是是非常重重要的一一個環(huán)節(jié)節(jié)，計算算模型取取得正確確與否，直直接影響響支撐的的設(shè)計。根根據(jù)屋蓋蓋的形式式以及圍圍護墻不不同，有有多質(zhì)點點空間結(jié)結(jié)構(gòu)分析析法，修修正剛度度法，按按柱列剛剛度比例例分配的的剛度分分配法以以及按柱柱列承受受的重力力荷載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間支撐撐的震害害一般重重于邊柱柱列的柱柱間支撐撐，在必必要情況況時，對對中柱列列的柱間間支撐可可以采用用內(nèi)力提提高的方方法，予予以適當(dāng)當(dāng)加強。在本大型不不銹鋼工工程主廠廠房柱間間支撐系系統(tǒng)設(shè)計計中

14、，由由于工藝藝布置的的要求，下下柱支撐撐分別設(shè)設(shè)置在二二個不同同跨度的的區(qū)間內(nèi)內(nèi)，其中中2/GG軸采用用如圖44所示的的支撐布布置形式式。在此縱向溫溫度區(qū)段段內(nèi)柱間間支撐計計算方法法如下：2.4.11手算由于結(jié)構(gòu)和和荷載等等作用情情況復(fù)雜雜，且跨跨度和形形式不一一致，需需要反復(fù)復(fù)進行試試算和跌跌代，計計算工作作量很大大，而且且效果不不理想，其其結(jié)果可可用于截截面的初初選。圖4 某大大型工程程2/GG軸的支支撐布置置形式2.4.22 機算算在手算粗估估的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，利利用PKKPM鋼鋼結(jié)構(gòu)模模塊STTS-22進行建建模、分分析和計計算，考考慮到軟軟件對模模型節(jié)點點總數(shù)的的限制，僅僅取了下下柱支撐撐

15、進行驗驗算，為為了獲取取兩種支支撐的剛剛度比，采采用單位位水平荷荷載作用用下柱頂頂節(jié)點的的位移比比，就可可得出兩兩跨的剛剛度比，計計算簡圖圖見圖55，在計計算模型型中，柱柱與地面面連接為為鉸接，構(gòu)構(gòu)件與構(gòu)構(gòu)件之間間連接均均為鉸接接。然后后將荷載載作用下下的構(gòu)件件的應(yīng)力力求出，選選出合理理的可行行的截面面，再重重復(fù)求出出剛度比比，經(jīng)反反復(fù)跌代代后得到到了可行行的構(gòu)件件截面。2.4.33 STTAADDProo軟件計計算與校校核為了使模型型更接近近實際， 隨后又采用了STAADPro軟件進行全結(jié)構(gòu)建模，對已選結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力計算與校核，計算簡圖見圖6。同樣在計算模型中，柱與地面連接為鉸接，構(gòu)件與構(gòu)件之

16、間連接均為鉸接。進一步驗證截面的選型的合理性和正確性。從計算結(jié)果果可見，兩兩種軟件件的結(jié)果果吻合性性很好。由由此我們們對跨度度不同的的支撐計計算作如如下建議議：1）對于于跨度不不等的支支撐，可可以通過過布置兩兩種不同同的支撐撐形式進進行調(diào)整整；2）兩種種不同的的支撐可可以在電電腦軟件件中分別別建模，比比較在單單位荷載載作用下下的位移移，在反反復(fù)調(diào)整整截面和和布置形形式，可可以得到到兩者的的剛度比比；3）通過過軟件進進行內(nèi)力力計算和和截面的的校驗，即即可定出出支撐截截面。圖5 STSS-2軟軟件計算算簡圖圖6 STAAADPPro 軟件計計算簡圖圖2.5 支支撐節(jié)點點設(shè)計支撐節(jié)點形形式應(yīng)根根據(jù)支

17、撐撐構(gòu)件、柱柱及梁的的截面形形狀的不不同，而而采用合合理的節(jié)節(jié)點形式式。在本本大型不不銹鋼工工程中，由由于廠房房總高大大于600m，很很多區(qū)域域的鋼結(jié)結(jié)構(gòu)平臺臺超過88層，吊吊車噸位位大，而而且上海海抗震設(shè)設(shè)防烈度度為7度，因因此，不不管是風(fēng)風(fēng)荷載起起控制作作用，還還是地震震力起控控制作用用，廠房房縱向水水平力都都是非常常大的，鑒鑒于以上上情況，采采用了翼翼緣不帶帶拼材的的栓焊混混用連接接形式，這這種形式式在高層層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)中已普普遍應(yīng)用用。這種種連接構(gòu)構(gòu)造具有有施工快快速，節(jié)節(jié)約拼材材，承載載力強，抗抗反復(fù)荷荷載性能能良好等等特點。螺螺栓采用用摩擦型型高強螺螺栓，它它較普通通螺栓具具有承載載力

18、可靠靠，抗反反復(fù)荷載載性能優(yōu)優(yōu)良，及及對大變變形有良良好的適適應(yīng)性。但但是，這這種連接接形式一一般采用用先栓后后焊，故故螺栓預(yù)預(yù)拉力有有一些損損失，在在設(shè)計中中，應(yīng)對對螺栓承承載力留留有一定定的余量量。有關(guān)焊縫，螺螺栓及節(jié)節(jié)點板的的計算在在此不再再贅述，必必須嚴(yán)格格按照規(guī)規(guī)范有關(guān)關(guān)公式進進行驗算算，使節(jié)節(jié)點的承承載力高高于桿件件截面的的承載力力?？傊瑯?gòu)件件節(jié)點是是保證結(jié)結(jié)構(gòu)安全全的關(guān)鍵鍵部位，應(yīng)應(yīng)具有必必要的延延性，保保證焊接接質(zhì)量，避避免應(yīng)力力集中和和過大的的約束應(yīng)應(yīng)力，同同時便于于加工及及安裝。3 結(jié)束語語在柱間支撐撐設(shè)計中中，支撐撐布置盡盡量合理理。支撐撐破壞率率與桿件件長細比比之間存存在著因因果關(guān)系系，建議議適當(dāng)增增大支撐撐截面，能能夠起到到提高支支撐抗震震能力的的作用。另另外，節(jié)節(jié)點的承承載力必必須大于于桿件截截面的承承載力。【參考文獻獻】包頭鋼鐵設(shè)設(shè)計研究究院、中中國鋼結(jié)結(jié)構(gòu)協(xié)會會房屋建建筑鋼結(jié)結(jié)構(gòu)協(xié)會會編著