钢结构工业厂房中隅撑的设计及等效换算计算长度

2021-09-05王立

中国建筑金属结构 2021年8期

王立

在钢结构的工程史上，不乏因失稳而导致结构丧失承载能力的事故，这些事故都造成了很大的经济损失，其中一些还造成严重的人身伤亡事故。

钢结构的失稳仅是平面外失稳，钢结构的整体稳定即为钢结构的平面外稳定。钢结构平面外的计算长度，一般取侧向支撑点的距离，钢结构的平面外稳定取决于钢结构的整体稳定系数，整体稳定系数包含计算长度、两端约束情况、荷载作用等因素[1]。

1.隅撑的认识

钢结构工业厂房中隅撑（如图1）分为墙面隅和屋面隅撑。墙面隅撑是指钢柱与墙面檩条之间的支撑构件，一端钢柱内侧翼缘连接，另一端连接在墙面檩条上。屋面隅撑是指钢梁与屋面檩条之间的支撑构件，一端与钢梁下翼缘连接，另一端连接在屋面檩条上。隅撑通常为成对布置，山墙处刚架或门框柱处仅布置一侧。隅撑一般用角钢制作，隅撑与檩条的角度通常为40°～50°，隅撑在檩条上的支撑点位置通常在檩条形心线附近。隅撑与檩条采用普通螺栓连接，隅撑与钢柱或钢梁连接时，可以在钢柱或钢梁上焊连接板，然后隅撑的腹板与连接板采用普通螺栓连接，也可以用隅撑的翼缘直接与钢柱或钢梁的翼缘、腹板采用普通螺栓连接[2]。

图1 隅撑连接大样

2.隅撑的作用

钢结构工业厂房中钢梁上翼缘和钢柱外侧翼缘有均匀布置的檩条，檩条上安装着屋面板、墙面板，此时可以认为钢梁上翼缘和钢柱外侧翼缘的侧向位移无法产生，但是整个截面还可以发生绕钢梁上翼缘和钢柱外侧翼缘侧向支承点的扭转失稳。在钢梁下翼缘和钢柱内侧翼缘受压时，钢梁或钢柱可能发生绕定点轴的扭转失稳[3]。

钢结构工业厂房中的隅撑保证了结构构件的平面外的稳定性，减小钢柱、钢梁平面外的计算长度，防止了受压翼缘（梁下翼缘和柱的内侧翼缘）屈曲失稳。

3.隅撑的布置及设计要求

在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[4]中规定：主刚架斜梁翼缘和刚架柱内侧翼缘的平面外稳定应由刚性系杆或隅撑保证，当实腹式门式刚架的梁、柱翼缘受压时，应在受压翼缘侧布置隅撑。隅撑按轴心受压构件设计，隅撑能够承受被支撑翼缘（受压翼缘）局限轴力设计值的1/60，该压力由左右两隅撑共同承受，并分解到隅撑方向。隅撑在檩条上的支承点位置不低于檩条形心线。对需要进行地震作用组合效应验算的刚架，当地震作用效应起控制作用时，在檐口或中柱的两侧三个檩距范围内，每道檩条处屋面梁均双侧布置隅撑，边柱的檐口墙檩处也均双侧布置隅撑。

在以前的设计中设计人员通常将钢梁、钢柱的平面外计算长度取两倍的檩条间距，这是不对的，在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[4]已有详细说明，本文不再赘述。在《建筑抗震设计规范》[5]中规定“隅撑支撑的梁的计算长度不小于2 倍隅撑间距”。

4.工程算例对比及分析

工程概况及参数：某单层工业厂房，结构形式为门式刚架，地震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组；建筑抗震设防类别划分为标准设防类；基本风压WO=0.4KN/m2,地面粗糙度：B 类；建筑场地类别为Ⅱ类；特征周期为0.35s；结构的阻尼比0.05，檐口高度为8m，跨度取18m 计算，柱距取6m、8m、10m、12m 分别计算，檩条间距取1m、1.5m 分别计算。每道檩条均设置隅撑，平面外计算长度均取2 倍隅撑间距。主刚架材质Q235B，檩条材质Q345B。

现通过隅撑支撑刚架的弹性屈曲临界弯矩（取两倍檩距作为计算长度）作为斜梁的临界弯矩反算斜梁平面外计算长度（见表1），隅撑支撑钢架的弹性屈曲临界弯矩公式：

表1 （计算跨度18m）

斜梁的临界弯矩公式：

e 为隅撑在钢梁上的支撑点到檩条形心垂直距离，β 为隅撑与檩条连接点至主梁的距离与檩条跨度的比值，Ip为檩条截面绕强轴的惯性矩，lp为檩条跨度，lkk为隅撑的间距，e1为钢梁截面的剪心到檩条形心的距离，I1为未连接檩条的翼缘绕弱轴的惯性矩，I 为与檩条连接的翼缘绕弱轴的惯性矩，h 为大端截面上下翼缘中面间的距离，J 为大端截面自由扭转常数，Iω为大端截面的翘曲惯性矩，Iy为钢梁绕弱轴的惯性矩，L为钢梁平面外计算长度。

通过上述计算实例可以看出，钢梁翼缘越大、绕弱轴惯性矩越大，或檩条绕强轴惯性矩越小，檩条－隅撑体系的约束作用相对比较小，弹性屈曲临界弯矩相对也比较小，等效换算的计算长度就越难满足2 倍两倍隅撑间距；刚架中钢梁翼缘越小、绕弱轴惯性矩越小，或檩条绕强轴惯性矩越大，檩条－隅撑体系的约束作用相对比较大，弹性屈曲临界弯矩相对也比较大，等效换算的计算长度越容易满足两倍隅撑间距；隅撑间距越小，等效换算的计算长度就越难满足两倍隅撑间距。