柱间支撑的应用与探讨

　　摘要：介绍了用于钢结构单层厂房（不考虑地震作用）柱间支撑的常用形式，布置方式及设计原则；着重阐述了有吊车系统的厂房上柱支撑，下柱支撑布置原则及选择方法；解析了规范关于“布置下柱支撑的位置与温度区段的关系”；总结了工程设计实践中应遵循安全经济的原则更好地服务于建筑功能的要求。
　　关键词：钢结构厂房，结构稳定，温度区段，柱间支撑，强度，刚度，长细比
　　前言：钢结构由于强度高，一般截面相对于砼来说较小，这也就决定了稳定是钢结构里重要的问题，而钢结构厂房通常很长结合钢材对温度的敏感性的特点就要求设计人员在设计的过程中重视温度应力的影响合理地布置和设计支撑体系。下面阐述几种支撑布置方法及应用原理。
　　一.不考虑地震作用的无吊车系统的轻钢厂房柱间支撑的设置：
　　对于没有吊车系统的一般轻钢厂房，可以只设置一层柱间支撑，如果厂房过高，导致柱间支撑角度过小，则须分层设置。
　　1.柱间支撑的作用：保证厂房骨架的整体稳定和纵向刚度；作为柱的侧向支撑借以决定柱在框架平面外的计算长度；承受厂房传来的锋利纵向水平荷载，主要是风荷载。
　　2.柱间支撑布置原则：柱间支撑的间距-----当无吊车时宜取30-45米；柱间支撑可以设在厂房端部第一柱间。为什么在温度区段端部可以设置？主要原因：无吊车厂房一般情况柱间支撑仅承受由山墙传来的风载，风荷载相对较小，厂房纵向的变形也较小，在柱上产生的次内力（相对于横向计算内力）较小，因此可以设在厂房端部第一柱间。
　　3.柱间支撑采用的形式：通常，钢结构体系设计往往优先利用钢材的抗拉，其次是抗压（有轴压失稳问题），再次是压弯。因此，对于没有吊车的一般轻钢厂房，柱间支撑仅承受由山墙传来的风载，荷载较小，而且轻型钢结构厂房的墙体围护结构多为压型钢板加保温材料，对厂房的柱顶位移限值放得很宽，因此最广泛采用的是十字交叉带有张紧装置（如花篮螺栓）的圆钢做支撑，此时截面较小，构件也比较轻巧，节省材料。当然，采用圆钢支撑,缺点是张紧装置容易松弛，如果，张紧后将端部螺纹打毛（或采用双螺帽，建议采用）可以在一定程度上减少圆钢的松弛。
　　4.设计的原则：采用十字交叉的圆钢做柔性支撑时原则是必须将圆钢拉紧（圆钢拉紧的程度以平面外有一定的刚度为准），使其真正能够传递纵向水平力，当然,如果未张紧，这将影响结构的整体刚度和稳定性；至于在一个结构单元中设几道支撑，由纵向水平力，钢筋直径和布置原则确定；圆钢的大小由支撑承受的荷载决定，要明确一点的是规范对张紧的圆钢的长细比是没有限制的（无须验算长细比，只要抗拉承载力满足即可）。
　　二.不考虑地震作用的有吊车系统的厂房柱间支撑的设置：
　　对于有吊车系统的厂房，一般要设置上下两层柱间支撑（上柱支撑，下柱支撑），并且吊车梁可以代替刚性系杆（如果只设一层，平面外会有吊车的纵向刹车力作用在柱中间，对于钢柱本身不利）。
　　1.上柱支撑的作用及布置原则——吊车梁以上的支撑，传递屋架(上、下弦)横向支撑传来的纵向风力和保证厂房的整体稳定及纵向刚度。布置原则：温度区段的两端和有下柱支撑的开间中。
　　2.下柱支撑的作用及布置原则——吊车梁以下的支撑。作用：1）保证厂房的空间刚度；2）传递山墙风力；3）传递吊车纵向刹车力。布置原则：当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长（L＞90m）时宜设在三分点处，且间距不宜大于60米。注意在温度区段端部不宜设置下柱刚性支撑。为什么在温度区段端部不宜设置下柱刚性支撑？主要原因：下柱支撑布置在温度区段的中间（这在混凝土结构中有类似的规定，只是把柱间支撑换成了剪力墙），使厂房在温度变化时能够从支撑向两侧伸缩，以减小支撑，柱子与纵向构件的温度应力；而如果布置在温度区段端部，则限制了厂房的纵向变形。另外柱间支撑主要是提供厂房的纵向刚度，因计算时一般只计算横向平面，作为平面问题处理，但如果厂房有较大吨位吊车，其纵向刹车力较大，若在厂房端部设置落地支撑（上下都有），限制了厂房的纵向变形，在柱纵向产生的次内力就比较大，由于在计算柱子时没有考虑该内力，柱子设计将偏于不安全。综合以上两方面，宜在端部仅设置上柱支撑（对于有较大吊车的厂房，上柱截面通常比下柱截面小很多，上柱段的侧向刚度较小，不会因其上柱间支撑布置在两端而过分阻碍温度变形和引起过大的温度应力），把下柱支撑设在第二开间，在第一柱距内用吊车梁代替刚性系杆，值得注意的是第一柱距内的屋面应在抗风柱对应位置设刚性系杆，屋面横向支撑亦要设在第二柱距。系统的传力途径是：山墙处的水平荷载——刚性系杆——屋面横向支撑——柱间支撑——基础。
　　3.柱间支撑采用的形式：1）上柱支撑：通常采用张紧的十字交叉圆钢做支撑；对于厂房吊车为重级工作制，上柱支撑采用圆钢支撑,则容易松弛，即使是用花篮螺栓,也很难保证；并且吊车的重量会对上柱支撑的地震荷载计算产生一定的影响，综合考虑最好采用常见的单角钢十字交叉支撑。2）下柱支撑（刚性支撑）：下柱支撑一般采用十字交叉单片支撑（单个角钢或两个角钢组成的T型截面）；对于起重量大于16吨的厂房宜采用双片支撑（采用不等边角钢以长边与柱翼缘相连，两片支撑之间以附加系杆相连，也可以是两个槽钢，H型钢，钢管）等型钢组成格构式十字交叉刚性支撑（截面大小由支撑承受的平面内荷载决定）。
　　4.设计的原则：1）支撑主要承受的荷载：上柱支撑主要承受风荷载，下柱支撑除承受风力荷载以外，还承受吊车的纵向水平荷载。2）杆件截面必须满足长细比和计算求得的内力要求。3）十字交叉支撑，宜按一拉一压进行计算，计算简图（如图1）。
　　三.在工程设计实践中关于柱间支撑几个问题的讨论与解析：
　　1.关于一般柱间支撑采用角钢和钢管的优缺点比较：1）角钢：柱间支撑如果按压杆的长细比设计，支撑的平面内和平面外的长细比是不同的：平面内在中点有支撑点，回转半径可较小；而平面外按全长计算，要求回转半径较大。因此很多设计师利用其特性采用角钢做柱间支撑。另外，采用角钢作支撑，截面不宜小于L75X6，对于双片支撑之间的缀条，其截面一般不小于L50X5。2）钢管：钢管与不等边角钢相比，最惹人关注的是单位的用钢量能提供更大的回转半径。例如：2L100×80×10，A=34.33，ix=2.35，iy=4.78(t=10)，180×5.0管，A=27.49，i=6.19，就这几个简单比较可以看出，角钢组合截面虽然具有平面内、外不等的特性，但这个概念不解决角钢本身断面的不合理性，而且钢管占用的水平尺寸小，利于其它专业工作；钢管最令人不满的是价钱高，140×4.5管，A=19.16，i=4.79，角钢的截面积是圆管的1.8倍，圆管的价格与角钢比差不多要接近两倍。基于以上两点钢管与不等边角钢算个相当。当然，钢管在施工制作时相对麻烦一点，放样时务必准确无误，否则需要现场动明火，带来不必要的安全隐患。另外，值得注意的是关于钢管的壁厚，很多人为了追求长细比和自重轻，大多选择薄壁钢管，甚至有用2.5厚的，一旦有腐蚀情况或者钢管本身质量不行，是非常容易出现钢管本身破坏的情况的，并且，如此薄的钢管，节点连接处理也无法很好保证。我个人看法:壁厚不小于4.5为佳。
　　2.关于柱间支撑是圆钢时长度不够的处理方法（这是个很实际的问题,用花篮螺栓最好,但是就生产厂家来说更喜欢用焊接）：
　　方法一：将要搭接的圆钢端部车丝，使用花篮螺栓连接起来（如图2），此种方法避免了搭接焊接的偏心，充分利用了花篮螺栓张紧性能，但是施工复杂一般设计不采用。方法二：钢筋焊接技术规程里规定以下两种方式但是（图3）这样有个弊端就是产生偏心,且不好看；要是改为（图4）轴心对接,在两侧加两段5d的钢筋焊接会更好：既美观又避免了偏心。
　　3.关于柱间支撑的夹角：柱间支撑的夹角宜控制在35～55度。1）支撑角度过小或过大对结构的不利影响：首先斜撑所受的力为P/cosθ，角度越小，其所受的力越小，即起不到支撑的作用，反之角度越大，会导致因纵向水平力而产生的垂直力较大，对斜撑和钢柱很不利；其次角度过小或过大，节点板也随之增大，对节点板的受力及制作和加工都不利。2）当柱间支撑受柱高和柱距的限制斜撑与水平面的夹角不能控制在35～55度之间时，最好采取以下措施予以避免：夹角小于35度（高大厂房）时可以采取分层的方法（如图5）；夹角大于55度时可以采用桁架支撑（如图6）。
　　四.小结：
　　总之，厂房支撑体系的布置和设计应根据具体情况统盘考虑，灵活处理，柱间支撑应该遵循以简单有效而可靠的方式进行设计的原则，以保证建筑结构在安装和使用时的整体稳定，提高结构的整体刚度，形成整个结构的空间工作，并使所受的水平荷载以简捷，明确，可靠，直接的线路传递到基础。
　　参考文献：
　　1.《钢结构设计规范》GB50017-2003
　　2.《轻型钢结构设计规程》DBJ08-68-97
　　3.《门式刚架轻型钢结构技术规程》CECS102：2002
　　4.《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002
　　5.《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001
　　6.陈绍藩.钢结构（第二版）北京：中国建筑工业出版社，1994
　　7.赵熙元.建筑钢结构设计手册.北京：冶金工业出版社，1995
　　8.罗邦富.钢结构设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1989