中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)中的縱向支撐體系、吊車梁系統(tǒng)及吊車梁與排架柱的連接及其在設(shè)計中與縱向支撐系統(tǒng)的結(jié)合的基本知識，對設(shè)計進(jìn)行了闡述，對一些問題做了討論。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 縱向支撐系統(tǒng) 吊車梁 吊車梁的連接
1.概述
目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)項(xiàng)目中的應(yīng)用越來越普遍了，各種普通鋼結(jié)構(gòu)廠房和輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房、庫房應(yīng)用得越來越廣泛。這種結(jié)構(gòu)普遍可以采用單榀排架進(jìn)行橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前國內(nèi)開發(fā)的TAT和PS2000等結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件都能很好的解決單榀橫向設(shè)計的問題，所以不論從設(shè)計概念還是在設(shè)計程序的使用上，橫向設(shè)計都是比較成熟的。但對于縱向設(shè)計就會存在一些設(shè)計上的誤區(qū)，這主要是由兩個原因造成的，一是目前還沒有可以直接用來計算縱向體系的程序，設(shè)計人員普遍采用電算與手算相結(jié)合的方法來解決計算問題，二是很多的設(shè)計人員對于這種結(jié)構(gòu)的縱向支撐體系的理解還有所欠缺，致使一些構(gòu)造做法與計算的假定不完全吻合，造成構(gòu)造設(shè)計上的不盡合理，或者是材料的浪費(fèi)。本文對鋼結(jié)構(gòu)縱向支撐體系設(shè)計進(jìn)行一個總結(jié)，以便使得今后的設(shè)計更為合理。
單層排架式普通鋼結(jié)構(gòu)與輕型鋼結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是：
１）橫向?yàn)榕偶芙Y(jié)構(gòu)。排架式普通鋼結(jié)構(gòu)廠房通常帶有吊車系統(tǒng)，一般為柱底固結(jié)，上部屋架為實(shí)腹鋼梁時一般與柱為剛接，為桁架式屋架時，一般可做成與柱鉸接的形式。排架柱通常在吊車梁下面的牛腿或肩梁頂?shù)臉?biāo)高處變一次截面；輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房通常為柱底鉸接，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?yàn)橹蜗到y(tǒng)。一般結(jié)構(gòu)在一個溫度區(qū)段內(nèi)設(shè)一至三道柱間支撐，結(jié)構(gòu)的縱向水平荷載大部分傳到柱間支撐上，由柱間支撐承擔(dān)。結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段的劃分分別參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程的規(guī)定。
３）結(jié)構(gòu)體系計算特點(diǎn)：由于縱向水平荷載由支撐系統(tǒng)承擔(dān)，排架柱或剛架柱在縱向幾乎不承擔(dān)荷載，所以結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)的整體性是由屋蓋支撐體系及結(jié)構(gòu)縱向支撐體系的構(gòu)造措施來加以保證的。
４）結(jié)構(gòu)按照橫向排架或剛架進(jìn)行單榀分析，所以基礎(chǔ)的設(shè)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(chǔ)需考慮縱向彎矩外，其他基礎(chǔ)不必考慮縱向彎矩與剪力。
2.縱向支撐體系的設(shè)計
廠房的縱向支撐系統(tǒng)通常由柱間支撐和縱向系桿組成。當(dāng)廠房的高度較高或帶有吊車梁系統(tǒng)時，廠房通常沿高度分成兩段或多段柱間支撐，如圖1所示：
圖1 廠房縱向結(jié)構(gòu)示意圖
由圖1可見：
1）通常在屋架或屋面梁支座的標(biāo)高處設(shè)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(dú)設(shè)置。
2）在吊車梁以上及上部縱向系桿之間設(shè)置上段柱間支撐。
3）在吊車梁以下至柱腳之間設(shè)下段柱間支撐及下段柱系桿。
柱間支撐的布置一般應(yīng)遵循以下原則：
1）支撐的布置應(yīng)盡量和屋面橫向水平支撐布置相協(xié)調(diào)，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(shè)在同一柱跨內(nèi)。
2）沿廠房縱向的每一列柱都應(yīng)設(shè)置縱向柱間支撐，并且各列柱的縱向柱間支撐應(yīng)盡可能布置在同一柱跨開間。
3）柱間支撐一般宜設(shè)置在廠房一個溫度區(qū)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間內(nèi)。這樣布置有利于釋放溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度區(qū)段的長度大于120m時，可在溫度區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩道下段柱間支撐，其位置宜布置在溫度區(qū)段中間三分之一范圍內(nèi)，兩道支撐的中心距離不宜大于60米。
4）當(dāng)廠房內(nèi)設(shè)有橋式吊車或地震烈度為8度、9度時，為了很好的傳遞地震作用和提高房屋結(jié)構(gòu)上部的縱向剛度，還應(yīng)該在廠房一個溫度區(qū)段的兩個端開間設(shè)上段柱間支撐。
5)高度≤800mm的等截面柱，一般可沿柱的中心線設(shè)置單片柱間支撐。
階梯形柱當(dāng)上柱截面高度≤800mm時，一般采用單片支撐，當(dāng)上柱截面高度＞800mm或設(shè)有吊車梁走道板的通行人孔時，應(yīng)沿柱兩翼緣內(nèi)側(cè)設(shè)置雙片支撐。
階梯形柱的下段柱，一般沿兩柱肢設(shè)置雙片支撐。
縱向支撐系統(tǒng)的計算模式：
1)廠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：由廠房兩端或一端（廠房設(shè)有中間伸縮縫時）的山墻傳來的風(fēng)荷載。
b吊車縱向水平荷載：由吊車在軌道上產(chǎn)生的縱向剎車力，一般按不多于兩臺吊車計算。
吊車的縱向水平荷載通常為：
T=0.1∑Pmax
式中：Pmax為吊車剎車輪的最大輪壓，剎車輪的數(shù)量通常為吊車一側(cè)輪子數(shù)量的一半。
在具有大噸位重級工作制的廠房中，該荷載為主要的縱向水平荷載之一。
c沿廠房縱向的水平地震作用。
d其他的縱向水平荷載，如固定于廠房柱列的設(shè)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(shè)計，又可按壓桿設(shè)計，但當(dāng)按拉桿設(shè)計時，縱向水平系桿必須按壓桿設(shè)計。十字交叉支撐連接簡單、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、八字支撐及門形支撐等形式。這類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大。另外，如果在柱間支撐所在開間建筑開有較大的門而無法使用十字支撐時，也需采用人字支撐、八字支撐或門形支撐，在門的布置偏向某一側(cè)時，還可采用單腿式門形支撐。
a單層廠房的縱向受力體系可簡化為鉸接體系，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(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計。
b按照計算簡圖，一個溫度區(qū)段內(nèi)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(nèi)的部分風(fēng)荷載由上段柱間支撐承受。由吊車運(yùn)行產(chǎn)生的縱向水平剎車力和下段柱間支撐范圍內(nèi)山墻傳來的風(fēng)荷載由下段柱間支撐直接承受，同時，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(chǔ)。
4、縱向水平地震作用全部由柱間支撐承受。
5、在現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中明確規(guī)定了單層鋼結(jié)構(gòu)廠房和露天結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段的長度（即伸縮縫之間的距離），一般采暖和非采暖地區(qū)房屋，縱向溫度區(qū)段長度不超過220m，熱車間和采暖地區(qū)的非采暖房屋，縱向溫度區(qū)段的長度不超過180m，露天結(jié)構(gòu)的縱向溫度區(qū)段的長度不超過120m。
如果由于各種原因，當(dāng)結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段超出了規(guī)范的上述規(guī)定，就應(yīng)該計算廠房的縱向溫度應(yīng)力對排架柱的內(nèi)力的影響。
由于柱間支撐的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排架柱的平面外的剛度，因此，計算溫度應(yīng)力時的溫度變形不動點(diǎn)的位置，主要取決于柱間支撐的布置。當(dāng)溫度區(qū)段內(nèi)僅有一道下段柱間支撐時，支撐一般位于溫度區(qū)段的中央，所以縱向溫度變形的不動點(diǎn)可以近似的取柱間支撐的中間；當(dāng)溫度區(qū)段內(nèi)設(shè)有兩道下段柱的柱間支撐時，一般可以假定縱向溫度變形不動點(diǎn)位于兩道柱間支撐的中間點(diǎn)。
3.吊車梁系統(tǒng)的設(shè)計
廠房的吊車梁是廠房的縱向受力體系中的一個重要的組成部分，所以吊車梁系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)符合廠房縱向結(jié)構(gòu)體系的假定。吊車梁系統(tǒng)一般由吊車梁，制動結(jié)構(gòu)、輔助桁架及支撐（水平支撐和垂直支撐）等組成。廠房的縱向吊車梁一般可以兼做縱向系桿的作用。
工程中常用的吊車梁為焊接實(shí)腹式吊車梁，一般設(shè)計成簡支的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)?shù)踯嚵旱目缍群偷踯嚨钠鹬亓枯^小時，無需采用其他措施就可滿足吊車梁側(cè)向穩(wěn)定的要求。如果吊車梁的跨度和起重量較大，這時就需設(shè)計吊車梁的橫向制動結(jié)構(gòu)。
當(dāng)?shù)踯嚵何挥谶吜兄?，且吊車梁跨度?/span>12m，可以用槽鋼作為制動結(jié)構(gòu)的邊梁。當(dāng)重級工作制吊車梁的跨度＞12m或輕、中級工作制的吊車梁跨度＞18m時，就應(yīng)該設(shè)置輔助桁架和下翼緣水平支撐系統(tǒng)，并且在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置垂直支撐。垂直支撐的位置不宜設(shè)在吊車梁的豎向撓度較大處，一般設(shè)置在吊車梁兩端的1/3處。
當(dāng)?shù)踯嚵何挥谥辛兄鶗r，且柱的兩側(cè)均有吊車梁時，柱兩側(cè)的吊車梁就可以互為制動結(jié)構(gòu)的邊梁（此時，應(yīng)以另一側(cè)吊車梁的上翼緣作為本吊車梁的制動結(jié)構(gòu)的邊梁）。
吊車梁系統(tǒng)的設(shè)計一般包括吊車梁的設(shè)計，吊車梁制動結(jié)構(gòu)的設(shè)計兩部分。
吊車梁一般按兩臺最大起重量的吊車進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)吊車的輪距及車身的寬度在吊車梁上布置吊車車輪的最不利位置，按照影響線控制吊車梁的強(qiáng)度和變形。如果是中柱的吊車梁還應(yīng)考慮作為柱的另一側(cè)吊車梁的制動結(jié)構(gòu)的邊梁所受的影響。
吊車梁的水平制動結(jié)構(gòu)也按兩臺最大起重量的吊車進(jìn)行設(shè)計，一般分為制動桁架和制動梁兩種結(jié)構(gòu)形式。制動桁架用鋼量較為節(jié)省，但是制作比較費(fèi)工，還需另設(shè)走道板。制動梁結(jié)構(gòu)雖然用鋼量較多，但是傳力明確，制作簡單，并且可兼做走道板，所以是目前普遍采用的形式。
當(dāng)廠房的高度較高時邊柱吊車梁制動結(jié)構(gòu)還可兼做抗風(fēng)桁架，承受墻架傳來的風(fēng)荷載，此時，制動結(jié)構(gòu)的輔助桁架還承受一部分墻皮的重量。
另外，進(jìn)行吊車梁和輔助桁架的設(shè)計時還要考慮走道板傳來的活荷載，該活荷載取值一般為2.0kN/m2 ，有積灰荷載時，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的吊車梁還需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。在進(jìn)行疲勞驗(yàn)算時，只按一臺最大吊車考慮（并且不計吊車的動力系數(shù)）。
吊車梁的計算一般來說比較簡單，只需注意在各種吊車組合情況下正確繪制影響線，就可正確計算出在吊車的最不利布置情況下的吊車梁的應(yīng)力和變形的結(jié)果。另外，還可采用PKPM系列結(jié)構(gòu)分析軟件中的STS模塊進(jìn)行吊車梁的分析。
4.吊車梁與排架柱的連接及其與縱向支撐系統(tǒng)的吻合
需要著重指出的是，吊車梁及吊車梁制動系統(tǒng)與排架柱的連接，應(yīng)與廠房的縱向受力體系相吻合，這樣才能做到構(gòu)造與計算假定相符合，保證設(shè)計的正確性。具體來說有如下幾點(diǎn)：
1)吊車梁與牛腿的連接。在吊車梁的設(shè)計中一般假定吊車梁在每個柱距間均為簡支，為了滿足吊車梁簡支的計算假定，通?？刹捎脙煞N連接構(gòu)造方式得以實(shí)現(xiàn)：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梁固定在牛腿上，并且在小變形的條件下，吊車梁可以圍繞支撐點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動，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(yīng)分別滿足如下條件：
一般情況下，吊車梁可兼做廠房的下段柱頂?shù)乃较禇U，廠房山墻的風(fēng)荷載、吊車的縱向剎車力、各種管道即支架的水平推力、縱向地震作用等都由吊車梁傳遞給柱間支撐，所以在帶柱間支撐的跨間，吊車梁與牛腿連接所需要螺栓的數(shù)量應(yīng)經(jīng)計算確定，即：該連接所需的螺栓數(shù)量應(yīng)能保證將上述的各種縱向作用及其組合傳遞給柱間支撐。
按照廠房縱向結(jié)構(gòu)的受力模式，在一般跨間，排架柱沿廠房縱向不受水平力，所以吊車梁與排架柱的連接不必做強(qiáng)，只需按構(gòu)造確定，一般為4M20即可。
按照如上所述進(jìn)行設(shè)計，一般能保證計算與構(gòu)造和設(shè)計假定相吻合，保證了設(shè)計的合理性，增強(qiáng)了安全性。
2)吊車梁制動結(jié)構(gòu)與柱的連接通常采用高強(qiáng)度螺栓連接。通常可將吊車梁的上翼緣與制動結(jié)構(gòu)的邊梁看作制動梁的兩個翼緣，將制動板看作是制動梁的腹板，所以吊車的橫向水平剎車力在支座處（即排架柱的邊緣處）產(chǎn)生的最大剪力近似可以由制動板全部承擔(dān)，制動板與排架柱連接所需要的高強(qiáng)螺栓的數(shù)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(qiáng)度螺栓連接及焊接連接。焊接連接的耐疲勞的性能較差，重級工作制吊車梁宜采用前兩種連接，其中由于高強(qiáng)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(qiáng)度螺栓連接是目前用得比較普遍的連接形式。如前所述，吊車橫向水平剎車力產(chǎn)生的最大支座剪力已由制動板的高強(qiáng)螺栓傳遞，梁端與柱連接處的高強(qiáng)螺栓數(shù)量可僅按一個吊車輪的最大水平制動力計算。通常這個力較小，所以，一般高強(qiáng)螺栓連接的數(shù)量僅按構(gòu)造布置即可，即一般布置為4M20的高強(qiáng)螺栓。
4)吊車梁與制動結(jié)構(gòu)的連接，當(dāng)為重級工作制吊車梁時，上翼緣與制動板的連接應(yīng)首先采用高強(qiáng)度螺栓連接，一般按構(gòu)造用M20~M24以100~150mm等間距排列，如果吊車的起重量較大，螺栓的級別與間距應(yīng)根據(jù)水平受彎構(gòu)件傳遞剪力的原理通過計算來確定，具體計算如下：
根據(jù)材料力學(xué)原理，工字型截面的腹板邊緣處的剪應(yīng)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
將單位長度上需要的螺栓數(shù)量看作剪應(yīng)力τ則可得出制動板的高強(qiáng)度螺栓的間距的計算為：
這里Nmin 為一個高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計值，取抗剪或抗壓承載力設(shè)計值中的較小值
I為整個制動梁對中和軸的慣性矩。
輕、中級工作制吊車梁的上翼緣與制動板的連接可采用工地焊接，一般按構(gòu)造選用6~8mm沿全長搭接焊縫，當(dāng)為俯焊縫時應(yīng)為連續(xù)焊縫，為仰焊縫時可為間斷焊縫。
5.基礎(chǔ)設(shè)計需注意的問題
按照以上分析，普通排架式鋼結(jié)構(gòu)廠房與輕型鋼結(jié)構(gòu)廠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(chǔ)設(shè)計時，只需要考慮排架或剛架平面內(nèi)的水平剪力和彎矩（輕型鋼結(jié)構(gòu)剛架柱與基礎(chǔ)的連接一般為鉸接做法，所以只有剛架平面內(nèi)的水平剪力），無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(chǔ)必須設(shè)基礎(chǔ)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(qū)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的形式，這時拉梁將柱間支撐跨間的兩個柱基礎(chǔ)連接在一起，共同受力，增強(qiáng)了基礎(chǔ)平面外的整體性，拉梁承擔(dān)上部柱間支撐傳來的彎矩及剪力，基礎(chǔ)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(shè)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的剪力及彎矩的大小而定。
當(dāng)在某種情況下由于生產(chǎn)設(shè)備或工藝的制約不能設(shè)拉梁時，柱間支撐所在跨間的排架柱或剛架柱的基礎(chǔ)就應(yīng)考慮廠房縱向作用的水平剪力及彎矩，在地震高烈度區(qū)或吊車的吊重較大或?yàn)橹丶壒ぷ髦茣r，基礎(chǔ)往往會做得較大。當(dāng)然，在地震低烈度區(qū)、輕、中工作制吊車或輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房往往水平荷載不是很大，在考慮縱向水平作用后，基礎(chǔ)增加的面積不是很大，不設(shè)柱間支撐拉梁也是可以接受的。
6.結(jié) 語
通過對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，，以便更好地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、合理、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 （GB50017-2003） 北京 中國計劃出版社 2003.
[2] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2005） 北京 中國建筑工業(yè)出版社 2005.
[3] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編輯委員會 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊 北京 中國建筑工業(yè)出版社 2006.
[4] 包頭鋼鐵設(shè)計研究院、中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2000.
（1.北京市工業(yè)設(shè)計研究院，北京 100055 2.北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039 ）
|
： 