關于單層工業廠房柱間支撐設計的探討

肖榆

關于單層工業廠房柱間支撐設計的探討

肖榆

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

新抗震規范對單層廠房的支撐設計提出了更為細致與具體的要求，針對新抗震規范中柱間支撐的計算和構造要求，探討了目前規范支撐設計在實際設計中的選擇與運用。

廠房設計;柱間支撐;單層建筑

0 引言

柱間支撐在單層工業廠房中是主要的縱向抗側力構件，廠房縱向不僅需要依靠排架柱的剛度和屋蓋剛度來傳遞水平作用，更需要柱間支撐來協調、傳遞排架內吊車和地震作用產生的縱向水平，并把它們可靠地傳遞到基礎部分。與此同時，柱間支撐的設置協調了排架平面內剛度與平面外剛度，提高了整個廠房的抗扭能力，因此柱間支撐的設置對于單層廠房具有重要的意義。

1 支撐在規范中的要求

柱間支撐及其相關計算要求在現行規范中主要列于《50017－2003鋼結構設計規范》［1］，針對柱間支撐通常采用鋼結構形式，明確了其計算的要求及焊縫計算、構造與及設置支撐后結構所應達到的剛度要求，附錄A中提出了廠房和露天棧橋柱的縱向位移Hc/4000的限制要求，軸心受壓構件的穩定系數，疲勞計算的構件和連接分類，附錄F中列出了節點板在斜腹桿壓力作用下的穩定計算。《GB 50011－2010建筑抗震設計規范》［2］第9.1.23－1～5，9.2.2，9.2.10，9.2.15－1～5中對此也有著明確的布置與計算要求。以上這些條文從布置、強度、穩定、連接計算都做了明確的規定，然而設計中因為對此缺乏必要的了解與思考，常常出現選擇或計算上的誤區。

2 柱間支撐的計算簡圖與偏心

圖1 柱間支撐的計算簡圖Fig.1 Calculation Sketch of Column Bracing

3 柱間支撐的桿件與節點板偏心

《GB 50011－2010建筑抗震設計規范》［2］附錄k.3.1－2公式:

式中e0明確為斜向拉力對錨筋合力作用線的偏心距，應小于外排錨筋之間距離的20%。上式從埋件的角度出發說明了另外一個容易忽視的問題——埋件中心與拉桿合力中心的偏心問題，從這里的要求可以理解為偏心距應小于外排錨筋之間距離的0.2倍。而這個要求無論對鋼筋埋件還是對與角鋼埋件均相同，設計時應給予重視。

4 常用柱間支撐的抗側剛度

計算支撐的剛度是計算側移及桿件內力的根本，下述為“人“字形支撐剛度，見圖2。

人字支撐的抗側剛度導出如下:

符號含義:Δ—水平位移值;Q—水平力;E—彈性模量;A—截面積;Δl1—斜桿軸向變形值;N—沿桿方向的軸向力;α—斜桿與水平面夾角。

對水平桿和斜桿采用虎克定律:N=kδ

圖2 柱間支撐的內力簡圖Fig.2 Internal Force Sketch of Column Bracing

類似上述計算可以推導出“X”型支撐水平桿和斜桿在單位力Q=1作用下的總位移:

“X”型支撐水平桿和斜桿在單位力Q=1作用下僅考慮拉桿作用下的總位移:

以上兩式按側傾剛度都可導出相同的Sb表達式:

“X”型支撐交叉斜桿:

“X”型支撐單向受拉斜桿:

《GB 50011－2010建筑抗震設計規范》［2］附錄K“單層廠房縱向抗震驗算”K2.1中斜桿長細比不大于200的柱間支撐在單位側力作用下的水平位移計算中uti定義為:單位側力作用下i節間僅考慮拉桿受力的相對位移。明確了計算中實際僅需要考慮到拉桿的作用，所以(3)，(4)，(5)式可以認為是計算這類支撐側移剛度的基本算式。

5 柱間支撐的選擇

在單層混凝土或鋼結構廠房中，支撐的選型通常依據《GB 50011－2010建筑抗震設計規范》［2］中第9.1.23條第2款和9.2.10條的要求進行支撐選擇。其中9.1.23條用于混凝土廠房柱間支撐設置，而后者則針對鋼結構廠房進行設置。混凝土廠房設置柱間支撐時明確指明了“宜”采用交叉式，且其斜桿交角不宜小于55°，這里明確指出“X”來源于這類支撐傳力的直接性與有效性，而對夾角的設置要求則來源于使用效率的原因。針對“混凝土廠房柱間支撐長細比不大于200，剛度與強度計算中都提出壓桿卸載，拉桿作為主要受力構件的原則”［1］來考察以下“X”支撐的傳力特性。把(3)，(4)，(5)式概括寫為Sb=∑Ab·E·cos2α·sinα，這里的Ab為參與工作的所有斜桿面積，變形為:Sb這里支撐可以放置的極限夾角值為90°，當0°≤α≤90°時，在選定截面與類型時支撐的剛度取決于α值的大小，求解上式在90°范圍內的最大值得到:α=35.26°時Sb剛度值得到最大值，在15.64°≤α≤56.88°之間時均可使支撐剛度值取得的結果，其中在15.64°與56.88°時從上述的計算結合規范和圖集中具體的條文抗規9.1.23條“柱間支撐應采用型鋼，其斜桿與水平面的夾角不宜大于55°。”而《05G 336柱間支撐》中交叉支撐的最小交角為19°也充分說明了支撐選用時的一個基本原則“充分利用鋼材的強度”。

正是考慮到支撐角度對于抗側剛度的有效性，在上柱支撐夾角較小時通常選擇“人”形支撐與“V”形支撐來替代“X”型支撐，而下柱支撐當夾角過大時則選擇雙層支撐或其它桁架式支撐。從上述對于(3)、(4)、(5)公式的導出得出如下結論:柱間支撐的高效率使用夾角為20°到55°之間，對比“X”形式的支撐，“V”或“人”形支撐當使用“X”型夾角小于20°時就可作為其替代選項，以獲得更高的使用效率。

6 結語

綜上所述，廠房支撐體系的布置和設計應根據具體情況具體考慮，靈活處理，柱間支撐應該遵循以簡單有效而可靠的方式進行設計的原則，以保證建筑結構在安裝和使用時的整體穩定，提高結構的整體剛度，形成整個結構的空間工作，并使所受的水平荷載以簡單、明確、可靠、直接的線路傳遞到基礎。

［1］中華人民共和國建設部.GB 50017－2003鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［2］中華人民共和國住建部.GB 50011－2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3］夏志斌.鋼結構設計——方法與例題［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［4］包頭鋼鐵設計研究總院，中國鋼結構協會房屋建筑鋼結構協會.鋼結構設計與計算［M］.2版.北京:機械工業出版社，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，工程師.主要研究方向:工業與民用建筑結構設計.