单层钢结构厂房的柱间支撑体系的设计与详解

随着社会科学的快速发展，单层钢结构厂房的柱间支撑体系这项技术也越来越完善，但是技术上的问题还是存在的，解决问题是刻不容缓的，更能促使社会稳定和经济的不断的发展。

一、钢结构厂房设计之支撑选型及布置

1、支撑选型

为确保房屋承重结构的正常使用，一般需要沿房屋的纵向柱之间设置柱间支撑。其作用如下：

(1)用以保证房屋的纵向稳定和纵向刚度;

(2)确定柱在平面外方向的计算长度;

(3)承受房屋端部山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用，并将上述荷载传至基础上。由于本工程工艺要求，常用的柱间支撑形式无法满足，于是选择一种适合本工程的柱间支撑形式十分必要。

单层钢结构厂房

2、钢框架支撑

在适当部位的局部跨间设置钢框架，来替代普通柱间支撑在工程中使用，此处钢框架称之为钢框架支撑。钢框架支撑中的钢框架是由钢柱(强轴方向)和钢梁刚性连接形成，具有较大的平面内刚度，在水平力作用下，具有较强的抗变形能力。由于钢柱在水平方向占用空间有限，只要控制钢梁的标高在6m以上，此种形式的支撑能够满足工艺使用要求。

3、普通柱间支撑

目前厂房结构中最常用的柱间支撑形式为十字形交叉支撑，它有着传力直接、构造简单、用料省、刚度大等优点。本工程门式刚架基本柱间距为6m，由于工艺要求在每一柱开间处，在宽度4.5m、高度6m范围内不允许有任何障碍物，也即在距钢柱中心线750mm以外，不允许有任何障碍物。受工艺尺寸限制，十字形交叉支撑，甚至八字形、人字形支撑等常用支撑，都无法在此工程中使用。

4、通长弱轴钢框架

CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求：门式刚架若不能设置柱间支撑，则应设置纵向框架。由于门式刚架柱一般采用工字形截面，弱轴方向朝着纵向布置，在柱高度适当部位沿纵向设置通长钢梁，钢梁与钢柱刚接连接，共同形成弱轴框架，为厂房结构提供必要的纵向刚度。若框架梁在标高6m以上部位设置，此种结构形式能够满足工艺使用要求。

5、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≤800mm时，在沿柱中心线设置单片支撑，当上柱截面高度>800mm或设有通行人孔时，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

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间支撑，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间支撑。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，应计算柱间支撑的温度应力。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：

(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。

(2)机算

在手算粗估的基础上，利用PKPM钢结构模块STS-2进行建模、分析和计算，考虑到软件对模型节点总数的限制，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3，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。

6、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。

单层钢结构厂房的柱间支撑体系设计与详解

二、钢结构设计建议

在保证加工、安装质量的前提下,使支撑受拉杆不出现初始横向变形,采取使X型支撑杆件张紧的措施,从而使其在往复水平力作用下不出现传力滞后现象,并使按受拉设计的柱间支撑能充分发挥支撑体系的作用,满足厂房纵向结构的稳定和承载力要求,保证结构的空间性能。柱间支撑杆件按受拉杆设计时,在支撑杆件截面一定的条件下,长细比λ越大,临界力Pcr越小,受压杆件的压应力可忽略,则Δσ=σmax-σmin越小〔4〕,抗疲劳性越强;当支撑杆件按受压杆设计时,在支撑杆件截面一定的条件下,长细比λ越大,临界力Pcr越小,受压杆件的压应力不能忽略,则Δσ=σmax-σmin越大〔4〕,抗疲劳性越差。在相同的受力条件下,支撑构件按受拉杆设计时,长细比λ越大,支撑体系的受力性能越好;按受压杆设计时,长细比λ越小,支撑体系的受力性能越好。因此,在相同的受力条件下,支撑杆件按受拉杆设计比按受压杆设计节约钢材。

三、钢结构设计之合理确定控制指标

在重型单层钢结构厂房设计中需重点控制结构构件的长细比、柱的水平位移、受弯构件的挠度等，应重点控制以下指标:

1、根据《GB50011-2010建筑抗震设计规范》规定，柱轴压比<0.2时其长细比≤150，轴压比>0.2时其长细比≤120235/f�y。由于柱子是厂房最重要的承重构件，同时为了确保结构刚度，建议将重型单层钢结构厂房柱长细比控制在60～100范围。

2、由于厂房的纵向主要由柱间支撑抵抗水平地震作用和耗散地震能量，柱间支撑是震害多发部位。柱间支撑应保证能通过节点连接有效传递地震作用，柱间支撑与构件的连接≥支撑杆件塑性承载力的1.2倍，支撑杆件的截面应力比≤0.75。

3、柱的缀条、吊车梁以下的柱间支撑、桁架的受压杆件规范规定容许长细比为150，考虑到重型厂房柱有重级工作制大吨位的吊车，同时屋盖一般悬挂有检修吊车所用的单轨吊，为了防止刚度过小引起震颤带来的不利影响，建议长细比≤120。

4、厂房框(排)架的板件宽厚比的限制是保证厂房框架(排)延性的关键指标之一，也是影响单位面积耗钢量的关键指标。由于重型单层钢结构厂房采用轻型屋盖，按《GB50011-2010建筑抗震设计规范》的规定，轻型屋盖厂房塑性耗能区板件宽厚比限制可根据其承载力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外板件宽厚比限制可采用现行《GB50017-2003钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值。

5、屋盖支撑、吊车梁以上的柱间支撑压杆则按规范规定的容许长细比200控制。钢屋架下弦杆、重级工作制吊车桁架的下弦杆一般为拉杆，按《GB50017-2003钢结构设计规范》第5.3.9条中有重级工作制吊车的情况控制长细比，其拉杆的容许长细比钢屋架下弦杆为250，重级工作制吊车桁架的下弦杆为200。屋盖支撑的拉杆建议按350控制。

6、重型厂房有大吨位的吊车，并且一般为重级工作制，需控制吊车梁顶面处由一台最大吊车水平荷载所产生的横向位移不超过Hc/1250，纵向位移不超过Hc/4000，且在风荷载作用下的柱顶位移不超过H/400(Hc为基础顶至吊车梁顶面的距离，H为柱总高)。

7、受弯构件的挠度值按下列要求控制:吊车梁以及吊车桁架不超过l/1200，屋盖桁架在所有荷载作用下不超过l/400，在活载作用下不超过l/500，抗风桁架(作为连续支柱的支承时)不超过l/1000，带有玻璃窗的横梁(竖向和水平方向)不超过l/200。若为了控制受弯构件的挠度而计算出的构件应力比过小，在不影响使用和观感的前提下，可对上述容许挠度值进行适当调整和对受弯构件预先起拱，以节约投资。

四、钢结构设计公司结束语

综上所述，就单层钢结构厂房的柱间支撑体系而言，钢结构厂房在人们生活中被运用的越来越广泛，但是仍然还是存在一些问题，所以，相信在以后的日中，随着科学技术人员不断的努力，会使社会经济的发展更上一层。