关于单层工业厂房柱间支撑设计的探讨

肖榆

关于单层工业厂房柱间支撑设计的探讨

肖榆

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

新抗震规范对单层厂房的支撑设计提出了更为细致与具体的要求，针对新抗震规范中柱间支撑的计算和构造要求，探讨了目前规范支撑设计在实际设计中的选择与运用。

厂房设计;柱间支撑;单层建筑

0 引言

柱间支撑在单层工业厂房中是主要的纵向抗侧力构件，厂房纵向不仅需要依靠排架柱的刚度和屋盖刚度来传递水平作用，更需要柱间支撑来协调、传递排架内吊车和地震作用产生的纵向水平，并把它们可靠地传递到基础部分。与此同时，柱间支撑的设置协调了排架平面内刚度与平面外刚度，提高了整个厂房的抗扭能力，因此柱间支撑的设置对于单层厂房具有重要的意义。

1 支撑在规范中的要求

柱间支撑及其相关计算要求在现行规范中主要列于《50017－2003钢结构设计规范》［1］，针对柱间支撑通常采用钢结构形式，明确了其计算的要求及焊缝计算、构造与及设置支撑后结构所应达到的刚度要求，附录A中提出了厂房和露天栈桥柱的纵向位移Hc/4000的限制要求，轴心受压构件的稳定系数，疲劳计算的构件和连接分类，附录F中列出了节点板在斜腹杆压力作用下的稳定计算。《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》［2］第9.1.23－1～5，9.2.2，9.2.10，9.2.15－1～5中对此也有着明确的布置与计算要求。以上这些条文从布置、强度、稳定、连接计算都做了明确的规定，然而设计中因为对此缺乏必要的了解与思考，常常出现选择或计算上的误区。

2 柱间支撑的计算简图与偏心

图1 柱间支撑的计算简图Fig.1 Calculation Sketch of Column Bracing

3 柱间支撑的杆件与节点板偏心

《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》［2］附录k.3.1－2公式:

式中e0明确为斜向拉力对锚筋合力作用线的偏心距，应小于外排锚筋之间距离的20%。上式从埋件的角度出发说明了另外一个容易忽视的问题——埋件中心与拉杆合力中心的偏心问题，从这里的要求可以理解为偏心距应小于外排锚筋之间距离的0.2倍。而这个要求无论对钢筋埋件还是对与角钢埋件均相同，设计时应给予重视。

4 常用柱间支撑的抗侧刚度

计算支撑的刚度是计算侧移及杆件内力的根本，下述为“人“字形支撑刚度，见图2。

人字支撑的抗侧刚度导出如下:

符号含义:Δ—水平位移值;Q—水平力;E—弹性模量;A—截面积;Δl1—斜杆轴向变形值;N—沿杆方向的轴向力;α—斜杆与水平面夹角。

对水平杆和斜杆采用虎克定律:N=kδ

图2 柱间支撑的内力简图Fig.2 Internal Force Sketch of Column Bracing

类似上述计算可以推导出“X”型支撑水平杆和斜杆在单位力Q=1作用下的总位移:

“X”型支撑水平杆和斜杆在单位力Q=1作用下仅考虑拉杆作用下的总位移:

以上两式按侧倾刚度都可导出相同的Sb表达式:

“X”型支撑交叉斜杆:

“X”型支撑单向受拉斜杆:

《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》［2］附录K“单层厂房纵向抗震验算”K2.1中斜杆长细比不大于200的柱间支撑在单位侧力作用下的水平位移计算中uti定义为:单位侧力作用下i节间仅考虑拉杆受力的相对位移。明确了计算中实际仅需要考虑到拉杆的作用，所以(3)，(4)，(5)式可以认为是计算这类支撑侧移刚度的基本算式。

5 柱间支撑的选择

在单层混凝土或钢结构厂房中，支撑的选型通常依据《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》［2］中第9.1.23条第2款和9.2.10条的要求进行支撑选择。其中9.1.23条用于混凝土厂房柱间支撑设置，而后者则针对钢结构厂房进行设置。混凝土厂房设置柱间支撑时明确指明了“宜”采用交叉式，且其斜杆交角不宜小于55°，这里明确指出“X”来源于这类支撑传力的直接性与有效性，而对夹角的设置要求则来源于使用效率的原因。针对“混凝土厂房柱间支撑长细比不大于200，刚度与强度计算中都提出压杆卸载，拉杆作为主要受力构件的原则”［1］来考察以下“X”支撑的传力特性。把(3)，(4)，(5)式概括写为Sb=∑Ab·E·cos2α·sinα，这里的Ab为参与工作的所有斜杆面积，变形为:Sb这里支撑可以放置的极限夹角值为90°，当0°≤α≤90°时，在选定截面与类型时支撑的刚度取决于α值的大小，求解上式在90°范围内的最大值得到:α=35.26°时Sb刚度值得到最大值，在15.64°≤α≤56.88°之间时均可使支撑刚度值取得的结果，其中在15.64°与56.88°时从上述的计算结合规范和图集中具体的条文抗规9.1.23条“柱间支撑应采用型钢，其斜杆与水平面的夹角不宜大于55°。”而《05G 336柱间支撑》中交叉支撑的最小交角为19°也充分说明了支撑选用时的一个基本原则“充分利用钢材的强度”。

正是考虑到支撑角度对于抗侧刚度的有效性，在上柱支撑夹角较小时通常选择“人”形支撑与“V”形支撑来替代“X”型支撑，而下柱支撑当夹角过大时则选择双层支撑或其它桁架式支撑。从上述对于(3)、(4)、(5)公式的导出得出如下结论:柱间支撑的高效率使用夹角为20°到55°之间，对比“X”形式的支撑，“V”或“人”形支撑当使用“X”型夹角小于20°时就可作为其替代选项，以获得更高的使用效率。

6 结语

综上所述，厂房支撑体系的布置和设计应根据具体情况具体考虑，灵活处理，柱间支撑应该遵循以简单有效而可靠的方式进行设计的原则，以保证建筑结构在安装和使用时的整体稳定，提高结构的整体刚度，形成整个结构的空间工作，并使所受的水平荷载以简单、明确、可靠、直接的线路传递到基础。

［1］中华人民共和国建设部.GB 50017－2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［2］中华人民共和国住建部.GB 50011－2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］夏志斌.钢结构设计——方法与例题［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［4］包头钢铁设计研究总院，中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算［M］.2版.北京:机械工业出版社，2006.

Investigation on Column Bracing Design for Single－Story Industrial Building

XIAO Yu
(Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

The more meticulous and specific requirements for support design of single－story buildings were put forward in the new seismic code.Based on the calculation of column bracing and structure requirements in new seismic code，selection and application of current normative support design in actual design were investigated.

industrial building design;column bracing;single－story building

TU323.1

A

1004－2660(2012)03－0050－04

2012－05－10.

肖榆(1959－)，女，云南人，工程师.主要研究方向:工业与民用建筑结构设计.