門式剛架縱向柱計算長度和鋼梁平面外支撐長度

唐佳衛

中國海誠工程科技股份有限公司 上海 200031

1 概況

對于常規大面積的工業廠房、物流倉庫，門式剛架具有跨度大、重量輕、整體剛度好、柱網布置靈活等優勢。對比于傳統的框架結構或者排架結構，門式剛架工業化程度高，運輸便捷，安裝方便快速，土建施工量小，綜合經濟效益高。隨著門式剛架結構的普及，門式剛架的設計也越來越精細化，國家也推出了新版的《門規》[1]，本文就設計過程中一些容易出錯的地方，與大家共同探討。

2 縱向柱計算長度系數

門式剛架標準的計算分析方法是不考慮蒙皮效應，整體模型分為橫向和縱向，按平面結構分析內力。橫向為剛架模型，有側移受力體系。縱向為桁架模型，柱與系桿鉸接，中間設柱間支撐，無側移受力體系。由于縱向為無側移受力體系，所以在橫向剛架模型分析時，鋼柱的平面外計算長度系數取1.0或者取縱向系桿間距。也就是因為鋼柱平面外計算長度較小，鋼柱的翼緣寬度可以設計得窄而薄，具有較好的經濟優勢。

根據《門規》要求，縱向的柱間支撐宜取30米～40米，柱間支撐可采用門式框架、圓鋼交叉支撐、型鋼交叉支撐、方管或圓管人字支撐等。在有些時候，采用交叉支撐經常會影響到設備使用、物流運輸或者門窗開洞，特別是多跨剛架中柱的縱向設計。此時，很多工程師會采用門式框架的柱間支撐形式，或者大大減少交叉支撐的數量。那么在這個時候，縱向結構體系是否還能滿足無側移的計算假定呢？

《鋼標》[2]式8.3.1-6是判斷有無側移的規范依據。公式的左邊Sb為支撐結構的側移剛度，可以用水平工況比如風荷載工況的水平力除以對應工況的位移比來計算。右邊公式的Nb和N0分別是采用無側移框架和有側移框架計算長度系數算得的軸壓穩定承載力。筆者選取了某個工程的一榀縱向模型，柱截面為H600x350x8x14，共8跨9根柱子。模型1采用了三跨圓鋼交叉支撐。模型2采用了一跨圓鋼交叉支撐。模型3采用滿布門式框架支撐。

計算結果見表一。

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結論：

1. 剛架側移剛度與結構本身的布置有關，以往經驗上根據位移比1/1000來判斷有無側移并不完全準確，還應考慮荷載大小的因素。在荷載很小的情況下，即使位移比很小，側移剛度也會較弱。

2. 交叉支撐可以有效增大側移剛度，但如果支撐布置的很少，結構仍可能是有側移體系。

3. 僅布置門式框架完全無法滿足無側移的條件。驗證了《門規》6.1.3條，未設置柱間支撐情況下，柱應按雙向受力計算。

4. 在弱支撐或者僅設置門式框架支撐的情況下，縱向結構體系為有側移框架，那橫向剛架計算時柱平面外計算長度取1.0會存在較大安全隱患，設計師應引起重視。此時應修正橫向剛架柱平面外計算長度系數或采用考慮雙向受力計算的三維模型。

3 鋼梁平面外側向支撐

通長設置的縱向剛性系桿，一般連接在鋼梁的上翼緣附近，可以作為鋼梁上翼緣平穩外的側向支撐。與鋼梁連接的檁條，根據《門規》9.1.7條和9.1.8條，在滿足規范計算要求的情況下，檁條可以兼做屋面橫向水平支撐的壓桿。但實際制作安裝時，廠家為了方便，一般在檁條上開長圓孔，這樣檁條就失去了傳遞水平力的作用。所以筆者認為不應考慮檁條作為鋼梁上翼緣平面外穩定的側向支撐，僅僅作為一種結構的安全儲備。

根據《門規》第7.1.6條，隅撐在滿足一定的布置條件下，可以考慮其對鋼梁下翼緣平面外穩定的支撐作用，但隅撐不能作為完全固定的側向支撐，而僅僅是彈性支座。并且這種支撐作用隨著鋼梁下翼緣截面的增大，逐漸減小。

根據剛架受力特點，鋼梁在跨中一般為上翼緣受壓，在鋼梁端部為下翼緣受壓。因此，筆者認為應在跨中區域應設置通長的剛性系桿，作為鋼梁上翼緣的平面為側向支撐。而在鋼梁端部，一般截面較大，連接在靠近上翼緣附近的剛性系桿無法作為受壓下翼緣的側向支撐，受壓的下翼緣只能依靠隅撐的側向彈性支撐作用，同時隅撐的支撐作用隨著下翼緣截面的增加而減小。所以筆者建議鋼梁端部的設計應盡可能的減小下翼緣的截面面積，通過調整梁截面高度和上翼緣截面來滿足強度要求。只有這樣，常規的隅撐布置才能有效的約束受壓的下翼緣。根據筆者的經驗，對于45度布置，采用L63x5的隅撐，隅撐間距3000情況下，鋼梁的下翼緣截面不宜大于300x12，此時隅撐才能起到有效的側向彈性支撐作用。

4 主要結論

本文首先討論了門式剛架設計中關于縱向柱計算長度系數取值的問題，參考《鋼標》相關規范，舉例計算了相關模型的側向剛度和柱穩定承載力，通過對比可以發現，較少的交叉支撐和門式框架支撐側向剛度較弱，不足以滿足規范對無側移框架的要求，柱計算長度系數應按有側移計算。

其次本文討論了鋼梁平面外側向支撐的問題，論述了鋼梁跨中和梁端受壓翼緣側向支撐的布置。最終筆者建議在鋼梁跨中的受壓上翼緣，宜布置通長的系桿來作為鋼梁平面外穩定的有效側向支撐。在鋼梁端部的受壓下翼緣，宜布置隅撐并控制鋼梁下翼緣的截面面積，使隅撐作為鋼梁平面外穩定的側向彈性支撐。