1.无起重系统轻钢厂房不考虑地震影响的柱间支撑设置:
对于一般不设起重系统的轻钢厂房,柱间支撑可只设置一层,若厂房过高,导致柱间支撑倾角较小,则必须分层设置。
1.柱间支撑的作用:
保证工厂框架的整体稳定性和纵向刚度;作为柱的侧向支撑,确定框架平面外柱的计算长度;承受工厂产生的尖锐纵向水平荷载,主要是风荷载。
2、柱支撑布置原则:
柱间支撑间距在没有吊车时以30-45米为宜,柱间支撑可设置在厂房末端第一根柱间。为什么可以设置在温度段末端呢?主要原因:在没有吊车的厂房中,柱间支撑一般只承受从山墙传来的风荷载。由于风荷载相对较小,厂房纵向变形也较小,对柱产生的二次内力(相对于侧向计算内力)较小,所以可以设置在厂房末端第一根柱间。
3.柱间支撑形式:
通常钢结构体系设计时往往优先考虑钢材的抗拉强度,其次是抗压(存在轴向受压失稳问题),再次是弯曲。因此,对于一般不带吊车的轻钢厂房钢结构柱间支撑的标注,柱支撑只承受从山墙传来的风荷载,这是一个很小的荷载。另外,轻钢结构厂房的墙体围护结构多为波纹钢板加保温材料,厂房柱顶的位移极限很宽。因此,应用最为广泛的是采用十字形圆钢加拉紧装置(如花篮螺栓)作为支撑。此时截面较小,构件也相对较轻,节省材料。当然,采用圆钢支撑的缺点是拉紧装置容易松动,如果拉紧后将端部螺纹打毛(或采用双螺母,建议采用),可以在一定程度上减少圆钢的松动。
4.设计原则:
采用交叉圆钢筋作柔性支撑时,原则是圆钢筋必须紧固(圆钢筋紧固程度以平面外有一定的刚度为依据),才能真正起到传递纵向水平力的作用。当然,如果不紧固,就会影响结构的整体刚度和稳定性。至于一个结构单元设置多少个支撑,则由纵向水平力、钢筋直径及布置原则决定。圆钢筋的大小由支撑所承受的荷载决定。需要说明的是,规范对受拉圆钢筋的长细比没有限制(不需要校核长细比,只要满足抗拉承载力即可)。
2.不考虑地震影响的起重系统厂房柱间支撑设置:
对于设有起重机系统的工厂,一般需设置两层柱支撑(上柱支撑、下柱支撑),可用起重机梁代替刚性拉杆(若只设置一层,起重机的纵向制动力将作用在平面外的柱中部,对钢柱本身不利)。
1、上柱支撑作用及布置原则——吊车梁上方的支撑,将屋架(上、下弦)侧向支撑所受的纵向风力传递过来,保证厂房的整体稳定性和纵向刚度。布置原则:在温度段两端及开间内设下柱支撑。
2、下柱支撑的作用及布置原则——支撑在吊车梁的下方。
影响:
1)保证厂房的空间刚度;
2)传递山墙风力;
3)传递起重机的纵向制动力。布置原则:当有起重机时,应位于温度段中间,或当温度段较长(L>90m)时,应位于三点处,间距不宜大于60米。
注意,温度段末端不宜设置下柱刚性支撑。为什么不宜在温度段末端设置下柱刚性支撑?
主要原因是将下柱支撑布置在温度区中间(混凝土结构中也有类似规定,只是将柱间支撑用剪力墙代替),使厂房在温度变化时能从支撑向两侧伸缩,以减小支撑、柱及纵向构件的温度应力;若布置在温度区端部,则厂房的纵向变形受到限制。
另外,柱间支撑主要用来提供厂房的纵向刚度,计算时一般只计算横平面,将其作为平面问题处理。但是如果厂房中有大吨位的吊车,其纵向制动力比较大,如果在厂房端部(上、下)设置地面支撑,厂房的纵向变形受到限制,柱纵向产生的二次内力会比较大,由于计算柱时不考虑这个内力,会导致柱设计不安全。
综合以上两方面,建议只在端部设置上柱支撑(对于有大型起重机的厂房,上柱截面通常远小于下柱截面,上柱截面侧向刚度较小,不会因两端设置上柱支撑而过分阻碍温度变形和引起过大的温度应力),在第二跨度设置下柱支撑,在第一柱距内采用吊车梁代替刚性拉杆。值得注意的是,在第一柱距内的屋面应在抗风柱相应位置设置刚性拉杆,在第二柱距处也应设置屋面侧向支撑。体系的力传递路径为:山墙处水平荷载—刚性拉杆—屋面侧向支撑—柱支撑—基础。
3.柱间支撑形式:
1)上柱支撑:通常采用张紧十字圆钢支撑。对于重型工厂起重机,如果采用圆钢,上柱支撑容易松动,即使采用花篮螺栓也很难保证。另外,起重机的重量对上柱支撑的地震荷载计算也会造成一定的影响。综合考虑,最好采用常见的单角钢十字支撑。
2)下柱支撑(刚性支撑):下柱支撑一般采用横跨单件支撑(由单根角钢或两根角钢组成的T型钢);对起重量大于16吨的厂房,应采用双件支撑(利用不等边角钢将长边与柱翼缘连接,两根支撑间加拉杆连接,或采用两根槽钢、H型钢、钢管)组成格构式横跨刚性支撑(截面尺寸根据支撑所承受的平面内荷载确定)。
4.设计原则:
1)支座承受的主要载荷:上柱支座主要承受风载荷,下柱支座除承受风载荷外,还承受起重机的纵向水平载荷。
2)杆件截面必须满足长细比和计算内力的要求。
3) 交叉支撑应按一次拉、一次压进行计算,计算图如图1所示。
3、工程设计实践中关于柱间支撑几个问题的探讨与分析:
1、一般柱支撑采用角钢与钢管的优缺点比较:
1)角钢:若按受压杆件长细比设计柱间支撑,则支撑平面与平面外的长细比不同:平面内有支撑点在中点,转弯半径可以较小;而平面外按全长计算,要求转弯半径较大。因此,很多设计人员根据其特点,采用角钢作为柱间支撑。另外,采用角钢作支撑时,截面不宜小于L75X6。对于双连杆支撑间的拉杆钢结构柱间支撑的标注,截面一般不小于L50X5。
2)钢管:与不等边角钢相比,钢管最值得关注的一点是单位钢材消耗量能提供较大的转弯半径。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。从这些简单的比较可以看出,虽然角钢组合截面具有平面内外不等边的特点,但这种概念并没有解决角钢本身截面的不合理性,而且钢管占用的横向尺寸小,有利于其它专业工作;钢管最不令人满意的一点是价格昂贵。 140×4.5管,A=19.16,i=4.79,角钢的截面积是圆管的1.8倍,圆管的价格差不多是角钢的两倍。综合以上两点,钢管和不等边角钢算是等价的。当然钢管施工制作相对麻烦,排料一定要准确,不然现场就要用到明火,会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,很多人为了追求长径比和重量轻,选择薄壁的钢管,有的甚至用2.5厚的。一旦出现腐蚀或者钢管本身质量不好,钢管本身很容易损坏。另外这么薄的钢管,节点连接加工也不能保证很好。我个人的看法:壁厚不宜小于4.5。
2、采用圆钢时,柱支撑长度不够如何处理(这个是很实际的问题,最好用花篮螺栓,但厂家更喜欢用焊接):
方法一:将需要搭接的圆钢端部穿入花篮螺栓连接。此方法避免了搭接焊的偏心,充分利用了花篮螺栓的张拉性能。但施工复杂,设计中一般不采用。
方法二:钢筋焊接技术规程中规定了以下两种方法。但这样有个缺点,会造成偏心,而且不好看。如果改为轴向对接,在两边各加两段5d钢筋焊接效果会更好:既美观,又避免了偏心。
3、关于柱间支撑角度:柱间支撑角度应控制在35度至55度之间。1)支撑角度过小或过大对结构产生的不良影响:首先,斜撑所受力为P/cosθ,角度越小,其所受力越小,即起不到支撑作用,反之,角度越大,纵向水平力产生的竖向力越大,对斜撑和钢柱十分不利;其次,角度过小或过大,节点板也会增大,对节点板的受力、生产加工都不利。
2)当斜撑与水平面的夹角受柱高、柱距的限制不能控制在35°~55°之间时,最好采取下列措施避免:当夹角小于35°时(高层厂房),可采用分层支护方式;当夹角大于55°时,可采用桁架支撑。
四、总结
总之,厂房支撑体系的布置设计应根据具体情况综合考虑、灵活处理,柱间支撑应遵循简单、有效、可靠的原则,保证建筑结构在安装和使用过程中的整体稳定性,提高结构的整体刚度,形成整个结构的空间受力,将水平荷载简单、明确、可靠、直接地传递到基础。