鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文介紹了鋼結構中的縱向支撐體系、吊車梁系統及吊車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，對設計進行了闡述，對一些問題做了討論。
關鍵詞：鋼結構 縱向支撐系統 吊車梁 吊車梁的連接
1.概述
目前，隨著我國經濟水平的提高，鋼結構在工業項目中的應用越來越普遍了，各種普通鋼結構廠房和輕型鋼結構廠房、庫房應用得越來越廣泛。這種結構普遍可以采用單榀排架進行橫向結構設計，目前國內開發的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存在一些設計上的誤區，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，設計人員普遍采用電算與手算相結合的方法來解決計算問題，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行一個總結，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是：
１）橫向為排架結構。排架式普通鋼結構廠房通常帶有吊車系統，一般為柱底固結，上部屋架為實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的標高處變一次截面；輕型鋼結構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）縱向為支撐系統。一般結構在一個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：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加以保證的。
４）結構按照橫向排架或剛架進行單榀分析，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
廠房的縱向支撐系統通常由柱間支撐和縱向系桿組成。當廠房的高度較高或帶有吊車梁系統時，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 廠房縱向結構示意圖
由圖1可見：
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）在吊車梁以上及上部縱向系桿之間設置上段柱間支撐。
3）在吊車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間。
3）柱間支撐一般宜設置在廠房一個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間內。這樣布置有利于釋放溫度應力。當溫度區段的長度大于120m時，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）當廠房內設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構上部的縱向剛度，還應該在廠房一個溫度區段的兩個端開間設上段柱間支撐。
5)高度≤800mm的等截面柱，一般可沿柱的中心線設置單片柱間支撐。
階梯形柱當上柱截面高度≤800mm時，一般采用單片支撐，當上柱截面高度＞800mm或設有吊車梁走道板的通行人孔時，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縱向水平風荷載：由廠房兩端或一端（廠房設有中間伸縮縫時）的山墻傳來的風荷載。
b吊車縱向水平荷載：由吊車在軌道上產生的縱向剎車力，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，剎車輪的數量通常為吊車一側輪子數量的一半。
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行設計，又可按壓桿設計，但當按拉桿設計時，縱向水平系桿必須按壓桿設計。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點進行設計。
b按照計算簡圖，一個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。縱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荷載由上段柱間支撐承受。由吊車運行產生的縱向水平剎車力和下段柱間支撐范圍內山墻傳來的風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房和露天結構的溫度區段的長度（即伸縮縫之間的距離），一般采暖和非采暖地區房屋，縱向溫度區段長度不超過220m，熱車間和采暖地區的非采暖房屋，縱向溫度區段的長度不超過180m，露天結構的縱向溫度區段的長度不超過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，計算溫度應力時的溫度變形不動點的位置，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，支撐一般位于溫度區段的中央，所以縱向溫度變形的不動點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，一般可以假定縱向溫度變形不動點位于兩道柱間支撐的中間點。
3.吊車梁系統的設計
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，所以吊車梁系統的設計應符合廠房縱向結構體系的假定。吊車梁系統一般由吊車梁，制動結構、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腹式吊車梁，一般設計成簡支的結構形式。當吊車梁的跨度和吊車的起重量較小時，無需采用其他措施就可滿足吊車梁側向穩定的要求。如果吊車梁的跨度和起重量較大，這時就需設計吊車梁的橫向制動結構。
當吊車梁位于邊列柱，且吊車梁跨度≤12m，可以用槽鋼作為制動結構的邊梁。當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梁的豎向撓度較大處，一般設置在吊車梁兩端的1/3處。
當吊車梁位于中列柱時，且柱的兩側均有吊車梁時，柱兩側的吊車梁就可以互為制動結構的邊梁（此時，應以另一側吊車梁的上翼緣作為本吊車梁的制動結構的邊梁）。
吊車梁系統的設計一般包括吊車梁的設計，吊車梁制動結構的設計兩部分。
吊車梁一般按兩臺最大起重量的吊車進行設計。根據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度和變形。如果是中柱的吊車梁還應考慮作為柱的另一側吊車梁的制動結構的邊梁所受的影響。
吊車梁的水平制動結構也按兩臺最大起重量的吊車進行設計，一般分為制動桁架和制動梁兩種結構形式。制動桁架用鋼量較為節省，但是制作比較費工，還需另設走道板。制動梁結構雖然用鋼量較多，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。
當廠房的高度較高時邊柱吊車梁制動結構還可兼做抗風桁架，承受墻架傳來的風荷載，此時，制動結構的輔助桁架還承受一部分墻皮的重量。
另外，進行吊車梁和輔助桁架的設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行疲勞驗算。在進行疲勞驗算時，只按一臺最大吊車考慮（并且不計吊車的動力系數）。
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的吻合
需要著重指出的是，吊車梁及吊車梁制動系統與排架柱的連接，應與廠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。具體來說有如下幾點：
1)吊車梁與牛腿的連接。在吊車梁的設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，通常可采用兩種連接構造方式得以實現：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自由轉動，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的水平系桿，廠房山墻的風荷載、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量應經計算確定，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。
按照廠房縱向結構的受力模式，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，只需按構造確定，一般為4M20即可。
按照如上所述進行設計，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)吊車梁制動結構與柱的連接通常采用高強度螺栓連接。通常可將吊車梁的上翼緣與制動結構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）產生的最大剪力近似可以由制動板全部承擔，制動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，吊車橫向水平剎車力產生的最大支座剪力已由制動板的高強螺栓傳遞，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，一般高強螺栓連接的數量僅按構造布置即可，即一般布置為4M20的高強螺栓。
4)吊車梁與制動結構的連接，當為重級工作制吊車梁時，上翼緣與制動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計算來確定，具體計算如下：
根據材料力學原理，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
將單位長度上需要的螺栓數量看作剪應力τ則可得出制動板的高強度螺栓的間距的計算為：
這里Nmin 為一個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，一般按構造選用6~8mm沿全長搭接焊縫，當為俯焊縫時應為連續焊縫，為仰焊縫時可為間斷焊縫。
5.基礎設計需注意的問題
按照以上分析，普通排架式鋼結構廠房與輕型鋼結構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，所以在基礎設計時，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的剪力及彎矩的大小而定。
當在某種情況下由于生產設備或工藝的制約不能設拉梁時，柱間支撐所在跨間的排架柱或剛架柱的基礎就應考慮廠房縱向作用的水平剪力及彎矩，在地震高烈度區或吊車的吊重較大或為重級工作制時，基礎往往會做得較大。當然，在地震低烈度區、輕、中工作制吊車或輕型鋼結構廠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
通過對于鋼結構設計中的一些經驗的總結，，以便更好地完成結構設計工作，保證結構設計的安全、合理、經濟、優化。
參考文獻
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（1.北京市工業設計研究院，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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