鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
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摘 要：本文介紹了鋼結構中的縱向支撐體系、吊車(chē)梁系統及吊車(chē)梁與排架柱的連接及其在設計中與縱向支撐系統的結合的基本知識，對設計進(jìn)行了闡述，對一些問(wèn)題做了討論。
關(guān)鍵詞：鋼結構 縱向支撐系統 吊車(chē)梁 吊車(chē)梁的連接
1.概述
目前，隨著(zhù)我國經(jīng)濟水平的提高，鋼結構在工業(yè)項目中的應用越來(lái)越普遍了，各種普通鋼結構廠(chǎng)房和輕型鋼結構廠(chǎng)房、庫房應用得越來(lái)越廣泛。這種結構普遍可以采用單榀排架進(jìn)行橫向結構設計，目前國內開(kāi)發(fā)的TAT和PS2000等結構設計軟件都能很好的解決單榀橫向設計的問(wèn)題，所以不論從設計概念還是在設計程序的使用上，橫向設計都是比較成熟的。但對于縱向設計就會(huì )存在一些設計上的誤區，這主要是由兩個(gè)原因造成的，一是目前還沒(méi)有可以直接用來(lái)計算縱向體系的程序，設計人員普遍采用電算與手算相結合的方法來(lái)解決計算問(wèn)題，二是很多的設計人員對于這種結構的縱向支撐體系的理解還有所欠缺，致使一些構造做法與計算的假定不完全吻合，造成構造設計上的不盡合理，或者是材料的浪費。本文對鋼結構縱向支撐體系設計進(jìn)行一個(gè)總結，以便使得今后的設計更為合理。
單層排架式普通鋼結構與輕型鋼結構的共同特點(diǎn)是：
１）橫向為排架結構。排架式普通鋼結構廠(chǎng)房通常帶有吊車(chē)系統，一般為柱底固結，上部屋架為實(shí)腹鋼梁時(shí)一般與柱為剛接，為桁架式屋架時(shí)，一般可做成與柱鉸接的形式。排架柱通常在吊車(chē)梁下面的牛腿或肩梁頂的標高處變一次截面；輕型鋼結構廠(chǎng)房通常為柱底鉸接，上部與剛架梁為剛接，剛架柱的截面高度通常為下部小，上部大的均勻變化的截面。
２）縱向為支撐系統。一般結構在一個(gè)溫度區段內設一至三道柱間支撐，結構的縱向水平荷載大部分傳到柱間支撐上，由柱間支撐承擔。結構的溫度區段的劃分分別參照鋼結構設計規范和輕鋼結構設計規程的規定。
３）結構體系計算特點(diǎn)：由于縱向水平荷載由支撐系統承擔，排架柱或剛架柱在縱向幾乎不承擔荷載，所以結構的受力分析可以按照橫向排架或剛架進(jìn)行單榀分析，不必考慮整體結構分析。結構的整體性是由屋蓋支撐體系及結構縱向支撐體系的構造措施來(lái)加以保證的。
４）結構按照橫向排架或剛架進(jìn)行單榀分析，所以基礎的設計也可只考慮橫向排架在柱底部產(chǎn)生的彎矩或剪力，縱向水平荷載由柱間支撐傳給柱間支撐拉梁，除與柱間支撐拉梁相連的基礎需考慮縱向彎矩外，其他基礎不必考慮縱向彎矩與剪力。
2.縱向支撐體系的設計
廠(chǎng)房的縱向支撐系統通常由柱間支撐和縱向系桿組成。當廠(chǎng)房的高度較高或帶有吊車(chē)梁系統時(shí)，廠(chǎng)房通常沿高度分成兩段或多段柱間支撐，如圖1所示：
圖1 廠(chǎng)房縱向結構示意圖
由圖1可見(jiàn)：
1）通常在屋架或屋面梁支座的標高處設一道上部縱向系桿，該系桿通常按照壓桿考慮。如果有托架或托梁，則可利用托架或托梁兼做縱向系桿，不必單獨設置。
2）在吊車(chē)梁以上及上部縱向系桿之間設置上段柱間支撐。
3）在吊車(chē)梁以下至柱腳之間設下段柱間支撐及下段柱系桿。
柱間支撐的布置一般應遵循以下原則：
1）支撐的布置應盡量和屋面橫向水平支撐布置相協(xié)調，并配套形成上下整體共同工作的空間桁架體系，所以一般與屋蓋上下弦橫向支撐及垂直支撐設在同一柱跨內。
2）沿廠(chǎng)房縱向的每一列柱都應設置縱向柱間支撐，并且各列柱的縱向柱間支撐應盡可能布置在同一柱跨開(kāi)間。
3）柱間支撐一般宜設置在廠(chǎng)房一個(gè)溫度區段的中間部位，并且上段柱間支撐與下段柱間支撐位于同一開(kāi)間內。這樣布置有利于釋放溫度應力。當溫度區段的長(cháng)度大于120m時(shí)，可在溫度區段內設置兩道下段柱間支撐，其位置宜布置在溫度區段中間三分之一范圍內，兩道支撐的中心距離不宜大于60米。
4）當廠(chǎng)房?jì)仍O有橋式吊車(chē)或地震烈度為8度、9度時(shí)，為了很好的傳遞地震作用和提高房屋結構上部的縱向剛度，還應該在廠(chǎng)房一個(gè)溫度區段的兩個(gè)端開(kāi)間設上段柱間支撐。
5)高度≤800mm的等截面柱，一般可沿柱的中心線(xiàn)設置單片柱間支撐。
階梯形柱當上柱截面高度≤800mm時(shí)，一般采用單片支撐，當上柱截面高度＞800mm或設有吊車(chē)梁走道板的通行人孔時(shí)，應沿柱兩翼緣內側設置雙片支撐。
階梯形柱的下段柱，一般沿兩柱肢設置雙片支撐。
縱向支撐系統的計算模式：
1)廠(chǎng)房的縱向水平荷載通常是由以下幾種荷載組合而成的：
a縱向水平風(fēng)荷載：由廠(chǎng)房?jì)啥嘶蛞欢耍◤S(chǎng)房設有中間伸縮縫時(shí)）的山墻傳來(lái)的風(fēng)荷載。
b吊車(chē)縱向水平荷載：由吊車(chē)在軌道上產(chǎn)生的縱向剎車(chē)力，一般按不多于兩臺吊車(chē)計算。
吊車(chē)的縱向水平荷載通常為：
T=0.1∑Pmax
式中：Pmax為吊車(chē)剎車(chē)輪的最大輪壓，剎車(chē)輪的數量通常為吊車(chē)一側輪子數量的一半。
在具有大噸位重級工作制的廠(chǎng)房中，該荷載為主要的縱向水平荷載之一。
c沿廠(chǎng)房縱向的水平地震作用。
d其他的縱向水平荷載，如固定于廠(chǎng)房柱列的設備、管道等的縱向水平推力等。
2)縱向柱間支撐的形式和計算：
柱間支撐的形式一般為十字交叉支撐，這種支撐既可按拉桿進(jìn)行設計，又可按壓桿設計，但當按拉桿設計時(shí)，縱向水平系桿必須按壓桿設計。十字交叉支撐連接簡(jiǎn)單、便于施工，因此是柱間支撐最常用的形式。十字交叉支撐的角度一般為40~60°之間。
此外還有人字支撐、八字支撐及門(mén)形支撐等形式。這類(lèi)柱間主要用于柱距較大的情況，若采用十字支撐支撐桿件的角度過(guò)大。另外，如果在柱間支撐所在開(kāi)間建筑開(kāi)有較大的門(mén)而無(wú)法使用十字支撐時(shí)，也需采用人字支撐、八字支撐或門(mén)形支撐，在門(mén)的布置偏向某一側時(shí)，還可采用單腿式門(mén)形支撐。
a單層廠(chǎng)房的縱向受力體系可簡(jiǎn)化為鉸接體系，即：縱向系桿與排架柱均為鉸接，柱間支撐于排架柱的連接也都按鉸接節點(diǎn)進(jìn)行設計。
b按照計算簡(jiǎn)圖，一個(gè)溫度區段內的全部縱向水平荷載僅由該柱列的所有柱間支撐承受，不與柱間支撐相連的排架柱不承受縱向水平荷載?？v向水平荷載由縱向水平系桿傳遞。
c屋蓋、天窗及上部柱間支撐高度范圍內的部分風(fēng)荷載由上段柱間支撐承受。由吊車(chē)運行產(chǎn)生的縱向水平剎車(chē)力和下段柱間支撐范圍內山墻傳來(lái)的風(fēng)荷載由下段柱間支撐直接承受，同時(shí)，上段柱間支撐承受的縱向力也經(jīng)下段柱間支撐傳給基礎。
4、縱向水平地震作用全部由柱間支撐承受。
5、在現行的鋼結構規范中明確規定了單層鋼結構廠(chǎng)房和露天結構的溫度區段的長(cháng)度（即伸縮縫之間的距離），一般采暖和非采暖地區房屋，縱向溫度區段長(cháng)度不超過(guò)220m，熱車(chē)間和采暖地區的非采暖房屋，縱向溫度區段的長(cháng)度不超過(guò)180m，露天結構的縱向溫度區段的長(cháng)度不超過(guò)120m。
如果由于各種原因，當結構的溫度區段超出了規范的上述規定，就應該計算廠(chǎng)房的縱向溫度應力對排架柱的內力的影響。
由于柱間支撐的剛度遠遠大于排架柱的平面外的剛度，因此，計算溫度應力時(shí)的溫度變形不動(dòng)點(diǎn)的位置，主要取決于柱間支撐的布置。當溫度區段內僅有一道下段柱間支撐時(shí)，支撐一般位于溫度區段的中央，所以縱向溫度變形的不動(dòng)點(diǎn)可以近似的取柱間支撐的中間；當溫度區段內設有兩道下段柱的柱間支撐時(shí)，一般可以假定縱向溫度變形不動(dòng)點(diǎn)位于兩道柱間支撐的中間點(diǎn)。
3.吊車(chē)梁系統的設計
廠(chǎng)房的吊車(chē)梁是廠(chǎng)房的縱向受力體系中的一個(gè)重要的組成部分，所以吊車(chē)梁系統的設計應符合廠(chǎng)房縱向結構體系的假定。吊車(chē)梁系統一般由吊車(chē)梁，制動(dòng)結構、輔助桁架及支撐（水平支撐和垂直支撐）等組成。廠(chǎng)房的縱向吊車(chē)梁一般可以兼做縱向系桿的作用。
工程中常用的吊車(chē)梁為焊接實(shí)腹式吊車(chē)梁，一般設計成簡(jiǎn)支的結構形式。當吊車(chē)梁的跨度和吊車(chē)的起重量較小時(shí)，無(wú)需采用其他措施就可滿(mǎn)足吊車(chē)梁側向穩定的要求。如果吊車(chē)梁的跨度和起重量較大，這時(shí)就需設計吊車(chē)梁的橫向制動(dòng)結構。
當吊車(chē)梁位于邊列柱，且吊車(chē)梁跨度≤12m，可以用槽鋼作為制動(dòng)結構的邊梁。當重級工作制吊車(chē)梁的跨度＞12m或輕、中級工作制的吊車(chē)梁跨度＞18m時(shí)，就應該設置輔助桁架和下翼緣水平支撐系統，并且在適當的位置設置垂直支撐。垂直支撐的位置不宜設在吊車(chē)梁的豎向撓度較大處，一般設置在吊車(chē)梁兩端的1/3處。
當吊車(chē)梁位于中列柱時(shí)，且柱的兩側均有吊車(chē)梁時(shí)，柱兩側的吊車(chē)梁就可以互為制動(dòng)結構的邊梁（此時(shí)，應以另一側吊車(chē)梁的上翼緣作為本吊車(chē)梁的制動(dòng)結構的邊梁）。
吊車(chē)梁系統的設計一般包括吊車(chē)梁的設計，吊車(chē)梁制動(dòng)結構的設計兩部分。
吊車(chē)梁一般按兩臺最大起重量的吊車(chē)進(jìn)行設計。根據吊車(chē)的輪距及車(chē)身的寬度在吊車(chē)梁上布置吊車(chē)車(chē)輪的最不利位置，按照影響線(xiàn)控制吊車(chē)梁的強度和變形。如果是中柱的吊車(chē)梁還應考慮作為柱的另一側吊車(chē)梁的制動(dòng)結構的邊梁所受的影響。
吊車(chē)梁的水平制動(dòng)結構也按兩臺最大起重量的吊車(chē)進(jìn)行設計，一般分為制動(dòng)桁架和制動(dòng)梁兩種結構形式。制動(dòng)桁架用鋼量較為節省，但是制作比較費工，還需另設走道板。制動(dòng)梁結構雖然用鋼量較多，但是傳力明確，制作簡(jiǎn)單，并且可兼做走道板，所以是目前普遍采用的形式。
當廠(chǎng)房的高度較高時(shí)邊柱吊車(chē)梁制動(dòng)結構還可兼做抗風(fēng)桁架，承受墻架傳來(lái)的風(fēng)荷載，此時(shí)，制動(dòng)結構的輔助桁架還承受一部分墻皮的重量。
另外，進(jìn)行吊車(chē)梁和輔助桁架的設計時(shí)還要考慮走道板傳來(lái)的活荷載，該活荷載取值一般為2.0kN/m2 ，有積灰荷載時(shí)，還要考慮積灰荷載，一般可按積灰的厚度取0.3~1.0kN/m2 。
對承受重級工作制吊車(chē)的吊車(chē)梁還需進(jìn)行疲勞驗算。在進(jìn)行疲勞驗算時(shí)，只按一臺最大吊車(chē)考慮（并且不計吊車(chē)的動(dòng)力系數）。
吊車(chē)梁的計算一般來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，只需注意在各種吊車(chē)組合情況下正確繪制影響線(xiàn)，就可正確計算出在吊車(chē)的最不利布置情況下的吊車(chē)梁的應力和變形的結果。另外，還可采用PKPM系列結構分析軟件中的STS模塊進(jìn)行吊車(chē)梁的分析。
4.吊車(chē)梁與排架柱的連接及其與縱向支撐系統的吻合
需要著(zhù)重指出的是，吊車(chē)梁及吊車(chē)梁制動(dòng)系統與排架柱的連接，應與廠(chǎng)房的縱向受力體系相吻合，這樣才能做到構造與計算假定相符合，保證設計的正確性。具體來(lái)說(shuō)有如下幾點(diǎn)：
1)吊車(chē)梁與牛腿的連接。在吊車(chē)梁的設計中一般假定吊車(chē)梁在每個(gè)柱距間均為簡(jiǎn)支，為了滿(mǎn)足吊車(chē)梁簡(jiǎn)支的計算假定，通?？刹捎脙煞N連接構造方式得以實(shí)現：其一為凸緣支座，其二為平板支座。兩種支座形式都能夠保證把吊車(chē)梁固定在牛腿上，并且在小變形的條件下，吊車(chē)梁可以圍繞支撐點(diǎn)自由轉動(dòng)，釋放彎矩，是比較理想的鉸支座的形式。
兩種鉸支座的計算應分別滿(mǎn)足如下條件：
一般情況下，吊車(chē)梁可兼做廠(chǎng)房的下段柱頂的水平系桿，廠(chǎng)房山墻的風(fēng)荷載、吊車(chē)的縱向剎車(chē)力、各種管道即支架的水平推力、縱向地震作用等都由吊車(chē)梁傳遞給柱間支撐，所以在帶柱間支撐的跨間，吊車(chē)梁與牛腿連接所需要螺栓的數量應經(jīng)計算確定，即：該連接所需的螺栓數量應能保證將上述的各種縱向作用及其組合傳遞給柱間支撐。
按照廠(chǎng)房縱向結構的受力模式，在一般跨間，排架柱沿廠(chǎng)房縱向不受水平力，所以吊車(chē)梁與排架柱的連接不必做強，只需按構造確定，一般為4M20即可。
按照如上所述進(jìn)行設計，一般能保證計算與構造和設計假定相吻合，保證了設計的合理性，增強了安全性。
2)吊車(chē)梁制動(dòng)結構與柱的連接通常采用高強度螺栓連接。通?？蓪⒌踯?chē)梁的上翼緣與制動(dòng)結構的邊梁看作制動(dòng)梁的兩個(gè)翼緣，將制動(dòng)板看作是制動(dòng)梁的腹板，所以吊車(chē)的橫向水平剎車(chē)力在支座處（即排架柱的邊緣處）產(chǎn)生的最大剪力近似可以由制動(dòng)板全部承擔，制動(dòng)板與排架柱連接所需要的高強螺栓的數量按傳遞全部支座水平剪力計算。
3)梁端與柱的連接可分為板鉸連接、高強度螺栓連接及焊接連接。焊接連接的耐疲勞的性能較差，重級工作制吊車(chē)梁宜采用前兩種連接，其中由于高強度螺栓連接的施工較為方便，受力及耐疲勞的性能較好，所以高強度螺栓連接是目前用得比較普遍的連接形式。如前所述，吊車(chē)橫向水平剎車(chē)力產(chǎn)生的最大支座剪力已由制動(dòng)板的高強螺栓傳遞，梁端與柱連接處的高強螺栓數量可僅按一個(gè)吊車(chē)輪的最大水平制動(dòng)力計算。通常這個(gè)力較小，所以，一般高強螺栓連接的數量?jì)H按構造布置即可，即一般布置為4M20的高強螺栓。
4)吊車(chē)梁與制動(dòng)結構的連接，當為重級工作制吊車(chē)梁時(shí)，上翼緣與制動(dòng)板的連接應首先采用高強度螺栓連接，一般按構造用M20~M24以100~150mm等間距排列，如果吊車(chē)的起重量較大，螺栓的級別與間距應根據水平受彎構件傳遞剪力的原理通過(guò)計算來(lái)確定，具體計算如下：
根據材料力學(xué)原理，工字型截面的腹板邊緣處的剪應力的計算公式為：
其中v為計算截面的最大剪力；
S為翼緣對中和軸的靜矩
I為截面慣性矩
b為腹板的寬度
將單位長(cháng)度上需要的螺栓數量看作剪應力τ則可得出制動(dòng)板的高強度螺栓的間距的計算為：
這里Nmin 為一個(gè)高強度螺栓的承載力設計值，取抗剪或抗壓承載力設計值中的較小值
I為整個(gè)制動(dòng)梁對中和軸的慣性矩。
輕、中級工作制吊車(chē)梁的上翼緣與制動(dòng)板的連接可采用工地焊接，一般按構造選用6~8mm沿全長(cháng)搭接焊縫，當為俯焊縫時(shí)應為連續焊縫，為仰焊縫時(shí)可為間斷焊縫。
5.基礎設計需注意的問(wèn)題
按照以上分析，普通排架式鋼結構廠(chǎng)房與輕型鋼結構廠(chǎng)房除柱間支撐柱跨外，其他排架柱或剛架柱均沿縱向（即在柱的平面外）不受水平力的作用，所以在基礎設計時(shí)，只需要考慮排架或剛架平面內的水平剪力和彎矩（輕型鋼結構剛架柱與基礎的連接一般為鉸接做法，所以只有剛架平面內的水平剪力），無(wú)需考慮另一方向的彎矩和剪力。
但是柱間支撐承受了全部的廠(chǎng)房縱向水平作用及荷載，因此柱間支撐跨間排架柱或剛架柱的基礎必須設基礎拉梁或考慮沿縱向的彎矩及剪力。一般情況下，在地震高烈度區由于地震的水平作用產(chǎn)生的剪力及彎矩較大，采用柱間支撐拉梁是較為合理和常見(jiàn)的形式，這時(shí)拉梁將柱間支撐跨間的兩個(gè)柱基礎連接在一起，共同受力，增強了基礎平面外的整體性，拉梁承擔上部柱間支撐傳來(lái)的彎矩及剪力，基礎的面積可以做得較小，而拉梁必須按梁端承受彎矩進(jìn)行設計，拉梁的高度不宜太小，一般為柱間跨度的1/15~1/10，具體需視柱間支撐傳來(lái)的剪力及彎矩的大小而定。
當在某種情況下由于生產(chǎn)設備或工藝的制約不能設拉梁時(shí)，柱間支撐所在跨間的排架柱或剛架柱的基礎就應考慮廠(chǎng)房縱向作用的水平剪力及彎矩，在地震高烈度區或吊車(chē)的吊重較大或為重級工作制時(shí)，基礎往往會(huì )做得較大。當然，在地震低烈度區、輕、中工作制吊車(chē)或輕型鋼結構廠(chǎng)房往往水平荷載不是很大，在考慮縱向水平作用后，基礎增加的面積不是很大，不設柱間支撐拉梁也是可以接受的。
6.結 語(yǔ)
通過(guò)對于鋼結構設計中的一些經(jīng)驗的總結，，以便更好地完成結構設計工作，保證結構設計的安全、合理、經(jīng)濟、優(yōu)化。
參考文獻
[1] 中華人民共和國國家標準 鋼結構設計規范 （GB50017-2003） 北京 中國計劃出版社 2003.
[2] 中華人民共和國國家標準 建筑結構荷載規范（GB50009-2005） 北京 中國建筑工業(yè)出版社 2005.
[3] 鋼結構設計手冊編輯委員會(huì ) 鋼結構設計手冊 北京 中國建筑工業(yè)出版社 2006.
[4] 包頭鋼鐵設計研究院、中國鋼結構協(xié)會(huì )房屋建筑鋼結構協(xié)會(huì ) 鋼結構設計與計算 北京 機械工業(yè)出版社 2000.
（1.北京市工業(yè)設計研究院，北京 100055 2.北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039 ）
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