鋼結(jié)構(gòu)柱間支撐_無吊車與有吊車系統(tǒng)設(shè)計方案
鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱間支撐系統(tǒng)是保證建筑整體穩(wěn)定與縱向剛度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。江蘇杰達鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司在鹽城等地多個廠房項目中積累了豐富的柱間支撐設(shè)計與施工經(jīng)驗。本文將系統(tǒng)介紹無吊車與有吊車兩種系統(tǒng)的柱間支撐應(yīng)用原理、布置規(guī)范與設(shè)計要點。
無吊車系統(tǒng)的輕鋼廠房柱間支撐
柱間支撐的作用
在沒有吊車系統(tǒng)的一般輕鋼廠房中，柱間支撐主要承擔(dān)以下功能：
- 保證廠房骨架的整體穩(wěn)定和縱向剛度
- 作為柱的側(cè)向支撐，決定柱在框架平面外的計算長度
- 承受廠房傳來的縱向水平荷載，主要是山墻處的風(fēng)荷載
無吊車系統(tǒng)的布置原則
對于沒有吊車系統(tǒng)的廠房，可以只設(shè)置一層柱間支撐。當(dāng)廠房過高導(dǎo)致柱間支撐角度過小時，應(yīng)分層設(shè)置。
柱間支撐的布置規(guī)范如下：
- 間距：當(dāng)無吊車時宜取30-45米為一個溫度區(qū)段
- 位置：可以設(shè)在廠房端部第一柱間
- 原因分析：無吊車廠房的柱間支撐僅承受由山墻傳來的風(fēng)載，風(fēng)荷載相對較小，廠房縱向變形也較小，在柱上產(chǎn)生的次內(nèi)力較小，因此可以設(shè)在廠房端部
無吊車系統(tǒng)的支撐形式
對于沒有吊車的輕鋼廠房，柱間支撐僅承受由山墻傳來的相對較小風(fēng)載。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的墻體圍護結(jié)構(gòu)多為壓型鋼板加保溫材料，對廠房的柱頂位移限值放得較寬，因此廣泛采用的形式是：
- 十字交叉圓鋼，配合張緊裝置（如花籃螺栓）
- 此形式的優(yōu)點：截面較小，構(gòu)件輕巧，節(jié)省材料
- 此形式的缺點：張緊裝置容易松弛，需通過打毛螺紋或采用雙螺帽等方式減少松弛
無吊車系統(tǒng)的設(shè)計原則
采用十字交叉圓鋼柔性支撐的設(shè)計原則：
- 必須將圓鋼拉緊，以平面外有一定的剛度為準(zhǔn)，使其真正能夠傳遞縱向水平力
- 如果未張緊，將影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性
- 一個結(jié)構(gòu)單元中設(shè)幾道支撐，由縱向水平力、鋼筋直徑和布置原則確定
- 圓鋼大小由支撐承受的荷載決定，規(guī)范對張緊的圓鋼長細比無限制，只要抗拉承載力滿足即可
有吊車系統(tǒng)的廠房柱間支撐
有吊車系統(tǒng)的整體布置
對于有吊車系統(tǒng)的廠房，一般要設(shè)置上下兩層柱間支撐（上柱支撐、下柱支撐），且吊車梁可以代替剛性系桿。這樣的布置是因為如果只設(shè)一層，平面外會有吊車的縱向剎車力作用在柱中間，對于鋼柱本身不利。
上柱支撐的應(yīng)用
上柱支撐的作用：
- 吊車梁以上的支撐，傳遞屋架（上、下弦）橫向支撐傳來的縱向風(fēng)力
- 保證廠房的整體穩(wěn)定及縱向剛度
上柱支撐的布置原則：
- 設(shè)在溫度區(qū)段的兩端
- 設(shè)在有下柱支撐的開間中
下柱支撐的應(yīng)用
下柱支撐的作用：
- 吊車梁以下的支撐，保證廠房的空間剛度
- 傳遞山墻風(fēng)力
- 傳遞吊車縱向剎車力
下柱支撐的布置原則及理由：
- 當(dāng)有吊車時宜設(shè)在溫度區(qū)段中部，或當(dāng)溫度區(qū)段較長（L>90m）時宜設(shè)在三分點處
- 間距不宜大于60米
- 注意：在溫度區(qū)段端部不宜設(shè)置下柱剛性支撐
為什么在溫度區(qū)段端部不宜設(shè)置下柱剛性支撐？主要原因是：下柱支撐布置在溫度區(qū)段的中間，使廠房在溫度變化時能夠從支撐向兩側(cè)伸縮，以減小支撐、柱子與縱向構(gòu)件的溫度應(yīng)力。若布置在溫度區(qū)段端部，則限制了廠房的縱向變形。
另外，由于柱間支撐主要提供廠房的縱向剛度，計算時一般只計算橫向平面，作為平面問題處理。但如果廠房有較大噸位吊車，其縱向剎車力較大，若在廠房端部設(shè)置落地支撐（上下都有），限制了廠房的縱向變形，在柱縱向產(chǎn)生的次內(nèi)力就比較大。由于計算柱子時沒有考慮該內(nèi)力，柱子設(shè)計將偏于不安全。
因此，宜在端部僅設(shè)置上柱支撐（有較大吊車的廠房，上柱截面通常比下柱截面小很多，上柱段的側(cè)向剛度較小，不會因其上柱間支撐布置在兩端而過分阻礙溫度變形），把下柱支撐設(shè)在第二開間，在第一柱距內(nèi)用吊車梁代替剛性系桿。屋面應(yīng)在抗風(fēng)柱對應(yīng)位置設(shè)剛性系桿，屋面橫向支撐亦要設(shè)在第二柱距。傳力途徑：山墻處的水平荷載—剛性系桿—屋面橫向支撐—柱間支撐—基礎(chǔ)。
有吊車系統(tǒng)的支撐形式
上柱支撐：
- 通常采用張緊的十字交叉圓鋼做支撐
- 對于廠房吊車為重級工作制，采用圓鋼支撐容易松弛，即使使用花籃螺栓也很難保證
- 宜采用常見的單角鋼十字交叉支撐
下柱支撐（剛性支撐）：
- 一般采用十字交叉單片支撐（單個角鋼或兩個角鋼組成的T型截面）
- 對于起重量大于16噸的廠房宜采用雙片支撐（采用不等邊角鋼以長邊與柱翼緣相連，兩片支撐之間以附加系桿相連，也可以是兩個槽鋼、H型鋼、鋼管等型鋼組成格構(gòu)式十字交叉剛性支撐）
- 截面大小由支撐承受的平面內(nèi)荷載決定
有吊車系統(tǒng)的設(shè)計原則
- 支撐主要承受的荷載：上柱支撐主要承受風(fēng)荷載，下柱支撐除承受風(fēng)力荷載以外，還承受吊車的縱向水平荷載
- 桿件截面必須滿足長細比和計算求得的內(nèi)力要求
- 十字交叉支撐，宜按一拉一壓進行計算
工程設(shè)計實踐中的關(guān)鍵問題討論
角鋼與鋼管支撐的優(yōu)缺點對比
角鋼支撐：
- 如按壓桿的長細比設(shè)計，支撐的平面內(nèi)和平面外的長細比不同：平面內(nèi)在中點有支撐點，回轉(zhuǎn)半徑可較?。黄矫嫱獍慈L計算，要求回轉(zhuǎn)半徑較大
- 截面不宜小于L75×6，對于雙片支撐之間的綴條，截面一般不小于L50×5
- 優(yōu)點：材料經(jīng)濟，利用平面內(nèi)外長細比的差異
- 缺點：截面不夠圓滿，占用空間較大
鋼管支撐：
- 與不等邊角鋼相比，單位用鋼量能提供更大的回轉(zhuǎn)半徑
- 占用的水平尺寸小，利于其他專業(yè)工作
- 缺點：價格較高，通常為角鋼的1.5-2倍左右
- 施工制作時相對麻煩，放樣務(wù)必準(zhǔn)確無誤，否則需現(xiàn)場動明火，帶來安全隱患
- 壁厚選擇：不宜過薄，壁厚不小于4.5mm為佳，否則易因腐蝕或質(zhì)量問題而破壞，節(jié)點連接處理也無法保證
綜合評價：鋼管與不等邊角鋼相當(dāng)，選擇時應(yīng)根據(jù)具體工程條件和經(jīng)濟性綜合考慮。
圓鋼長度不足的處理方法
當(dāng)柱間支撐采用圓鋼時，如長度不夠，有以下兩種處理方法：
方法一：車絲連接
- 將要搭接的圓鋼端部車絲，使用花籃螺栓連接
- 優(yōu)點：避免了搭接焊接的偏心，充分利用了花籃螺栓的張緊性能
- 缺點：施工復(fù)雜，一般設(shè)計不采用
方法二：焊接連接（改進方案）
- 鋼筋焊接規(guī)程規(guī)定的搭接焊接方式，但產(chǎn)生偏心且不夠美觀
- 改進方案：改為軸心對接，在兩側(cè)加兩段5d的鋼筋焊接，既美觀又避免了偏心
柱間支撐的夾角控制
柱間支撐的夾角宜控制在35°-55°之間。這個范圍的確定基于以下分析：
支撐夾角過小或過大的不利影響：
- 斜撐所受的力為P/cos θ，角度越小，其所受的力越小，即起不到支撐的作用
- 反之角度越大，會導(dǎo)致因縱向水平力而產(chǎn)生的垂直力較大，對斜撐和鋼柱不利
- 角度過小或過大，節(jié)點板也隨之增大，對節(jié)點板的受力及制作、加工都不利
無法滿足35°-55°時的替代方案：
- 當(dāng)夾角小于35°（高大廠房）時：可以采取分層的方法
- 當(dāng)夾角大于55°時：可以采用桁架支撐
小結(jié)
鋼結(jié)構(gòu)廠房支撐體系的布置和設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體情況統(tǒng)盤考慮，靈活處理。江蘇杰達鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司在鹽城等地的多個工程實踐中，遵循以下原則：無吊車系統(tǒng)采用柔性圓鋼支撐，間距30-45米；有吊車系統(tǒng)采用上下兩層支撐，下柱支撐設(shè)在溫度區(qū)段中部或三分點，間距不超過60米；支撐夾角控制在35°-55°，無法滿足時采用分層或桁架方案；支撐形式根據(jù)荷載選擇圓鋼、角鋼或鋼管，充分考慮經(jīng)濟性與可靠性。通過這些規(guī)范化的設(shè)計方法，能夠保證建筑結(jié)構(gòu)在安裝和使用時的整體穩(wěn)定，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，形成完整的結(jié)構(gòu)空間工作，使所受的水平荷載以簡捷、明確、可靠、直接的路線傳遞到基礎(chǔ)。