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1、单层钢结构厂房柱间支撑体系的分析冯 萍萍（上海冶金金设计研究究院 建筑结构构室，上海海，2000070）摘要： 根据据上海某大大型不锈钢钢工程主厂厂房的设计计体会，同同时参阅了了国内外有有关资料，对对柱间支撑撑体系的设设计，尤其其是柱间支支撑体系的的设计原则则、形式、刚刚度、强度度和连接进进行分析和和探讨，并并就支撑体体系的设计计要点提出出了建议。关键词： 柱间支撑撑 刚度 长细比中图分类号号： 文文献标识码码：Analyysis of CColummn-annd-brrace Systtem oof Siinglee-stoory Steell Strructuure BBuilddingF
2、eng Pingg(Depaartmeent oof ciivil engiineerring, Shaanghaai Meetalllurgiical Desiign & Ressearcch Innstittute, Shaanghaai 20000700,Chiina)Abstrract: Thee artticlee anaalyzees annd sttudiees thhe deesignn of coluumn-aand-bbracee sysstem of tthe bbuildding accoordinng too dessigniing tthe mmain builld
3、ingg of the Shannghaii staainleess ssteell proojectt, esspeciiallyy aboout ddesiggn prrinciiple, styyle, rigiidityy, sttrenggth aand cconneectioon onn collumn-and-bracce syystemm. Thhe keey poointss of the desiign ssuggeestioon onn braacingg sysstem are alsoo prooposeed.Keywoords: Collumn-and-bracce
4、; rrigiddity; sleenderrnesss rattio1 前言在单层钢结结构厂房设设计中，支支撑体系的的布置和设设计是一个个重要的内内容。为了了保证结构构的空间工工作，提高高结构的整整体刚度，承承担和传递递水平力（风风荷载、吊吊车水平力力、温度作作用及地震震作用等），防防止杆件产产生过大的的震动，避避免压杆的的侧向失稳稳，以及保保证结构安安装时的稳稳定，应根根据结构及及其荷载的的不同情况况设置可靠靠的支撑系系统。在建建筑物每一一个温度区区段或分期期建设的区区段中，应应分别设置置独立的空空间稳定的的支撑系统统。支撑刚刚度的大小小还直接影影响厂房的的自振特性性。地震时时，支撑的的强
5、度和刚刚度是否满满足要求，直直接关系到到厂房的安安全。因此此建造于地地震区的厂厂房，其支支撑系统需需要按照抗抗震要求进进行合理设设计。上海某大型型不锈钢工工程主厂房房为单层多多跨不等高高建筑，内内部设有多多层工作平平台及各类类操作室，以以轴线尺寸寸计，新建建主厂房纵纵向长4002m，横横向宽2991m，在在厂房中央央10列轴线线部位设一一道纵向伸伸缩缝，柱柱距有188m及24m两种种。主厂房房柱网平面面图及下柱柱柱间支撑撑布置图见见图1。图1 某大型工工程柱网平平面图及下下柱柱间支支撑布置图图2 柱间支支撑体系的的设计2.1 设设计原则1) 明确合理、简简捷地传递递纵向水平平作用，尽尽量缩短传
6、传力的途径径;2) 保证结构体体系平面外外的稳定，为为结构和构构件的整体体稳定提供供侧向支点点;3) 便于结构安安装；4) 满足必要的的强度、刚刚度要求，具具有可靠的的连接。2.2 支支撑的形式式柱间支撑的的形式对整整个厂房的的纵向刚度度，自振特特性及塑性性铰产生部部位等有重重要影响。柱柱间支撑由由以下各部部分组成：1) 屋架端部高高度范围内内的垂直支支撑和上、下下系杆；2) 在吊车梁或或吊车桁架架以上至屋屋架下弦间间设置的上上段柱支撑撑；3) 在吊车梁或或吊车桁架架以下至柱柱脚处设置置的下段柱柱支撑和下下段柱系杆杆。上段柱支撑撑的形式一一般选用十十字交叉形形、人字形形及K形。当柱柱间距较大大
7、时，上段段柱支撑还还可采用VV形及八字字形，如图图2所示；下下段柱支撑撑的形式一一般选用单单层十字交交叉形、双双层十字交交叉形、人人字形及KK形，当柱柱距大于和和等于122m，工艺艺上有特殊殊要求时，可可采用门形形、L形、刚刚架形、八八字形及单单斜杆等，如如图3所示。在本大型不不锈钢工程程主厂房柱柱间支撑系系统中，以以上形式大大多涉及，总总的布置原原则是在没没有生产工工艺要求，且且斜杆与水水平面的夹夹角在35555的情况下下，多选用用十字交叉叉形；如遇遇跨度与高高度相差较较大时，就就可选用人人字形及KK形或八字字形；当跨跨度不大，柱柱边又必须须布置设备备时，可选选用Y形，当跨跨度较大，而而Y形
8、在刚度度上又无法法满足要求求时，就必必须选用LL形；刚架架形下柱支支撑一般仅仅在特殊情情况下采用用；当下柱柱较高时，还还可采用多多种形式的的组合。十十字交叉形形支撑由于于构造简单单、传力直直接、用料料节省，所所以使用最最为普遍。图2 上段柱支支撑形式图3 下下段柱支撑撑形式2.3 支支撑杆件长长细比的重重要性根据我国对对部分城市市震害调查查统计表明明，支撑的的震害率与与支撑杆件件的长细比比有着密切切的关系，其其统计数据据如表1所示： 表1 震震害调查统统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，调查查还发现冶冶金系统的的单层厂房房，以
9、往的的设计虽也也未曾考虑虑抗震，但但往往因重重级制吊车车的要求，下下柱支撑的的长细比常常控制在1150以下下，因此，冶冶金厂房柱柱间支撑的的破坏率远远较其他工工业系统厂厂房的柱间间支撑的破破坏率为低低。在本大型不不锈钢工程程中，下柱柱的主要支支撑构件的的截面大小小一般由内内力控制，相相应构件的的长细比多多在1000左右，有有的甚至更更小些。由此可见，柱柱间支撑不不仅要在强强度上满足足要求，而而且要具有有足够的刚刚度，使柱柱列在地震震时不致产产生过大变变形，减小小支撑本身身的破坏率率，支撑杆杆件的长细细比要适度度，不宜过过大。2.4 支支撑杆件的的布置及计计算在单层钢结结构厂房设设计中，一一般情
10、况下下，上柱截截面高度800mmm时，在在沿柱中心心线设置单单片支撑，当当上柱截面面高度800mmm或设有有通行人孔孔时，在沿沿柱两翼缘缘的内侧设设置双片支支撑。下柱柱柱间支撑撑多采用双双片支撑，不不管采用何何种支撑形形式，都存存在截面择择优问题。截截面选择得得好，在耗耗钢量大致致相等的情情况下，截截面回转半半径可以增增大，从而而可以提高高支撑杆件件的稳定。在在本大型不不锈钢工程程主厂房柱柱间支撑系系统设计中中，除了多多层刚架处处采用单片片支撑，截截面采用TT形和H形；其它它上、下柱柱柱间支撑撑大多采用用双片支撑撑，截面采采用H形和箱形形。两片支支撑一般情情况做法是是用缀杆将将它们联系系在一起
11、，但但考虑到大大型工业厂厂房的特殊殊性，不仅仅工艺复杂杂，而且管管线错综繁繁多，有些些管线走向向尚不明确确，各类操操作平台众众多（很多多区域达八八层之多），厂厂房总高度度超过600m。如果果仍按常规规思路设计计，不仅设设计上将耗耗费大量的的精力，而而且今后在在现场有可可能还将作作部分修改改，影响工工艺及建筑筑要求，更更重要的是是工厂制作作麻烦，现现场吊装及及安装复杂杂。因此，在在较多人字字形及K形支撑中中，将常规规设计中双双片支撑斜斜杆平面外外的斜缀杆杆去除，HH形截面改改成卧放，然然后再做再再分杆，在在杆件计算算长度不大大的情况下下，效果比比较好，用用钢量也增增加很少。在布置支撑撑时，每一一
12、单元长度度内的各柱柱列应在其其中部或接接近中部的的开间内，沿沿柱全高设设置一道柱柱间支撑，如如结构单元元较长，宜宜在单元长长度内的11/3处的的开间内沿沿柱全高设设置两道柱柱间支撑。如如结构单元元长度超过过了纵向温温度区段长长度规定的的数值，或或者两道下下柱支撑间间距离大于于72m时，应应计算柱间间支撑的温温度应力。在支撑设计计中，厂房房的纵向抗抗震设计是是非常重要要的一个环环节，计算算模型取得得正确与否否，直接影影响支撑的的设计。根根据屋盖的的形式以及及围护墙不不同，有多多质点空间间结构分析析法，修正正刚度法，按按柱列刚度度比例分配配的刚度分分配法以及及按柱列承承受的重力力荷载代表表值的比例
13、例分配的柱柱列法。另另外，由于于中柱列的的柱间支撑撑的震害一一般重于边边柱列的柱柱间支撑，在在必要情况况时，对中中柱列的柱柱间支撑可可以采用内内力提高的的方法，予予以适当加加强。在本大型不不锈钢工程程主厂房柱柱间支撑系系统设计中中，由于工工艺布置的的要求，下下柱支撑分分别设置在在二个不同同跨度的区区间内，其其中2/GG轴采用如如图4所示的支支撑布置形形式。在此纵向温温度区段内内柱间支撑撑计算方法法如下：2.4.11手算由于结构和和荷载等作作用情况复复杂，且跨跨度和形式式不一致，需需要反复进进行试算和和跌代，计计算工作量量很大，而而且效果不不理想，其其结果可用用于截面的的初选。图4 某大型型工程
14、2/G轴的支支撑布置形形式2.4.22 机算在手算粗估估的基础上上，利用PPKPM钢钢结构模块块STS-2进行建建模、分析析和计算，考考虑到软件件对模型节节点总数的的限制，仅仅取了下柱柱支撑进行行验算，为为了获取两两种支撑的的刚度比，采采用单位水水平荷载作作用下柱顶顶节点的位位移比，就就可得出两两跨的刚度度比，计算算简图见图图5，在计算算模型中，柱柱与地面连连接为铰接接，构件与与构件之间间连接均为为铰接。然然后将荷载载作用下的的构件的应应力求出，选选出合理的的可行的截截面，再重重复求出刚刚度比，经经反复跌代代后得到了了可行的构构件截面。2.4.33 STAAADPrro软件计计算与校核核为了使
15、模型型更接近实实际， 随后又采采用了STTAADPPro软件件进行全结结构建模，对对已选结构构进行内力力计算与校校核，计算算简图见图图6。同样在在计算模型型中，柱与与地面连接接为铰接，构构件与构件件之间连接接均为铰接接。进一步步验证截面面的选型的的合理性和和正确性。从计算结果果可见，两两种软件的的结果吻合合性很好。由由此我们对对跨度不同同的支撑计计算作如下下建议：11）对于跨跨度不等的的支撑，可可以通过布布置两种不不同的支撑撑形式进行行调整；22）两种不不同的支撑撑可以在电电脑软件中中分别建模模，比较在在单位荷载载作用下的的位移，在在反复调整整截面和布布置形式，可可以得到两两者的刚度度比；3）
16、通过软软件进行内内力计算和和截面的校校验，即可可定出支撑撑截面。图5 STS-2软件计计算简图图6 STAAADProo 软件计计算简图2.5 支支撑节点设设计支撑节点形形式应根据据支撑构件件、柱及梁梁的截面形形状的不同同，而采用用合理的节节点形式。在在本大型不不锈钢工程程中，由于于厂房总高高大于600m，很多多区域的钢钢结构平台台超过8层，吊车车吨位大，而而且上海抗抗震设防烈烈度为7度，因此此，不管是是风荷载起起控制作用用，还是地地震力起控控制作用，厂厂房纵向水水平力都是是非常大的的，鉴于以以上情况，采采用了翼缘缘不带拼材材的栓焊混混用连接形形式，这种种形式在高高层钢结构构中已普遍遍应用。这
17、这种连接构构造具有施施工快速，节节约拼材，承承载力强，抗抗反复荷载载性能良好好等特点。螺螺栓采用摩摩擦型高强强螺栓，它它较普通螺螺栓具有承承载力可靠靠，抗反复复荷载性能能优良，及及对大变形形有良好的的适应性。但但是，这种种连接形式式一般采用用先栓后焊焊，故螺栓栓预拉力有有一些损失失，在设计计中，应对对螺栓承载载力留有一一定的余量量。有关焊缝，螺螺栓及节点点板的计算算在此不再再赘述，必必须严格按按照规范有有关公式进进行验算，使使节点的承承载力高于于杆件截面面的承载力力。总之，构件件节点是保保证结构安安全的关键键部位，应应具有必要要的延性，保保证焊接质质量，避免免应力集中中和过大的的约束应力力，同
18、时便便于加工及及安装。3 结束语语在柱间支撑撑设计中，支支撑布置尽尽量合理。支支撑破坏率率与杆件长长细比之间间存在着因因果关系，建建议适当增增大支撑截截面，能够够起到提高高支撑抗震震能力的作作用。另外外，节点的的承载力必必须大于杆杆件截面的的承载力。【参考文献献】1 包头钢铁设设计研究院院、中国钢钢结构协会会房屋建筑筑钢结构协协会编著.钢结构设设计与计算算 M.北京:机械工业业出版社,200002 刘刘大海 杨翠如编编著.厂房抗震震设计MM. 北京:中国建筑筑工业出版版社,199973 GGBJ177-88.钢结构设设计规范S. 北京:中国建筑筑工业出版版社,199884 GGB500011-22001.建筑抗震震设计规范范S. 北京:中国建筑筑工业出版版社,200015 YYB90881-977.冶金建建筑抗震设设计规范S. 北京:冶金工业出出版社,119976 徐徐永基 刘大海 钟锡根 杨翠如编编著.高层建筑筑钢结构设设计M.西安:陕西科学学技术出版版社,19993- 8 -