上料系統(tǒng)鋼平臺柱間支撐體系的分析

【摘 要】根據(jù)江蘇省某電爐煉鋼工程上料系統(tǒng)的設計體會，結合多年來的設計經(jīng)驗，同時參閱了相關資料，對柱間支撐體系的設計，尤其是對柱間支撐的設計原則、形式、強度及連接進行了分析與探討，并就柱間支撐設計要點提出了建議。

【關鍵詞】柱間支撐；長細比；強度

1 前言

在多層鋼結構平臺設計中，支撐體系的布置和設計應根據(jù)結構形式及其荷載的不同情況來考慮，支撐剛度的大小直接影響結構的自振特性。地震時，支撐的強度和剛度是否滿足要求，直接關系到廠房的安全。因此建造于地震區(qū)的廠房，其支撐體系需要按照抗震要求來進行合理的設計。本文作者結合自己的工程設計體會加以闡述：

江蘇地區(qū)某工程的上料系統(tǒng)，建筑物總長66米，寬6.5米，高29米，局部有31.5米高，建筑層數(shù)為四層，局部為五層，考慮到建筑物整體布局屬于長條形，整體受力體系按框排架結構設計，短跨方向即弱軸方向按框架設計，長軸方向按排架設計，這樣受力體系比較明確，傳力途徑簡單明了。多層鋼結構廠房柱網(wǎng)平面圖及柱間支撐布置圖如下圖所示：

2 柱間支撐體系的設計

2.1 設計原則

2.1.1 合理簡捷地傳遞水平力，盡量縮短傳力的途徑；

2.1.2 保證結構體系的整體穩(wěn)定，為結構和構件的整體穩(wěn)定提供側向支點；

2.1.3 便于結構制作與安裝；

2.1.4 桿件截面必須滿足長細比和計算求得的內(nèi)力要求，并具有可靠的連接；

2.1.5 應滿足廠房生產(chǎn)凈空的要求；

2.1.6 應滿足廠房的縱向剛度的要求；同時還應考慮柱間支撐的設置對廠房結構溫度變形的影響，及由此產(chǎn)生的附加應力；

2.2 支撐桿件長細比的重要性

根據(jù)我國對部分城市震害調(diào)查統(tǒng)計表明，支撐的震害率與支撐桿件的長細比有著密切的關系，支撐斜桿長細比[λ]越大，破壞（壓曲）率就越大，反之就越小，效果顯著。

在本工程中，短跨弱軸方向按框架設計，主要的受力方向，支撐構件的截面大小一般由內(nèi)力控制，相應的構件長細比大多在100左右，有的甚至更小，而長跨強軸方向按排架鉸接設計，主要按構造要求設置，構件的長細比多在150至200左右。

2.3 支撐的形式與布置

柱間支撐的形式對整個廠房的整體剛度，自振特性及塑性鉸產(chǎn)生部位等有著重要影響。其形式是多種多樣的，主要有以下幾種：十字交叉撐、人字撐、門形支撐、八字撐、V形支撐，其不同的支撐形式應根據(jù)現(xiàn)場廠房的實際情況和受力特點分別采用。

十字交叉撐由于構造簡單，用料省，傳力簡單，剛度大，所以常被采用；門形支撐由于構造較復雜，用料較多且剛度較差(如空腹式門形支撐)，所以只在特殊情況下采用。當柱距寬度L與柱間支撐的高度H之比L/H≥2時，宜采用人字形支撐；當L/H≤2.5時，宜采用八字撐；當L/H≤0.5時，可采用二道或幾道十字交叉撐。

在本工程中短跨方向柱與橫梁采用剛接節(jié)點，為了保證框架的整體不變形，增大其空間剛度，因此增加了柱間支撐體系。柱間支撐體系首先采用十字交叉撐，原因是十字交叉撐在水平力作用下，兩根斜桿分別按一壓一拉桿受力，在壓桿失穩(wěn)的前提下，只考慮拉桿作用，而拉桿長細比限制遠低于壓桿限值，這樣在取材方面相應改小，另一方面鋼結構體系設計往往優(yōu)先利用鋼材的抗拉，其次是抗壓，再次才是壓彎，因此十字交叉撐是工程中常用的一種支撐體系。在不能使用十字交叉撐的地方，如設備擺放位置的限制，操作人員的行走、使用等工藝及生產(chǎn)操作方面的要求，另外還有對柱間支撐的角度范圍等規(guī)定。在不能使用十字交叉撐的情況下，可采用別的支撐形式代替。

不管采用何種支撐形式，都存在截面的擇優(yōu)問題，截面選擇的好，在耗鋼量大致相等的情況下，截面回轉半徑可以增大，從而可以提高支撐桿件的穩(wěn)定。本工程中短跨方向的柱間支撐大多數(shù)采用H型鋼，原因是短跨方向是主要的受力方向，設備的絕大多數(shù)荷載作用在此部分，而且短跨方向的工藝復雜，設備管線走向煩瑣，操作平臺較多，采用H型鋼臥放不僅在設計上省去大量的精力，也有利于工廠的制作和安裝，更為以后現(xiàn)場的局部改動提供了方便。在桿件計算長度不大的情況下，比起組合型的角鋼或槽鋼來說用鋼量也增加較少。

長跨方向即強軸方向采用梁與柱之間的鉸接連接的形式，由于長度方向總長約為66米，按照柱間支撐設置的原則，應盡可能在中間設置一道，用于減小縱向結構溫度變形和附加溫度應力的大小，此外還可傳遞縱向水平力、地震、風載，保證結構縱向剛度都具有良好的作用。

由于本工程具體情況是1/2到2/2軸線間有電爐平臺小車通過，高度從地坪至17米高度，1/4到2/4軸線間有電爐的變壓器室，變壓器混凝土屋面至15米，故此工程的長度方向的支撐情況采用下圖：

此方向的柱間支撐在條件容許的情況下均做成十字交叉撐，且多以單角鋼做成。之所以采用角鋼，一是因為長度方向結構本身其剛度較好，且不是主要受力方向。另一個原因是由其自身截面特性所造成的，十字交叉撐在平面內(nèi)和平面外的計算長度是不同的：平面內(nèi)在中點有支撐點，不管中點節(jié)點做法如何，回轉半徑可以較小，而平面外按全長計算，要求回轉半徑較大。這恰好符合了角鋼的截面特性，因而較為經(jīng)濟。

2.4 支撐的計算

柱間支撐計算是個重要的環(huán)節(jié)，在本工程中，由于結構層數(shù)較多，荷載分布復雜，且跨度與形式不一致，其計算思路是首先利用手算初步估算截面大小，這主要依據(jù)線剛度大小加以確定，以十字交叉撐單角鋼截面舉例來說，一般斜桿的水平角度在35度至55度之間，斜桿跨度L的1/50~1/35用來初步估計角鋼截面的高度，此取值也應根據(jù)實際受荷情況和桿件具體布置以及設計者的經(jīng)驗初步加以確定，如遇到較大水平力作用下，單獨選取個別桿件進行試算，作為初步選定桿件截面型號，然后代入PKPM鋼結構中的框架這一項進行整體三維建模與荷載輸入，然后進行分析和計算，此時支撐節(jié)點處按鉸接節(jié)點設計，其余構件與構件的連接應與設計工程做法相同，荷載也按實際情況輸入，這樣所得的計算結果與真實情況較為接近。

在框架三維建模計算滿足之后，為校核此次計算結果，利用PKPM鋼結構中的框排架三維建模二維計算，對三維模型中的幾榀或全部作為研究的對象，此時選取的對象多少主要取決于所研究的對象有沒有代表性，也可對工程的個別部分單獨建模，進行二維平面計算。在本次工程中，短跨方向提取五榀框架進行分別計算與校核，其二維計算模型如下圖所示。在計算模型中除支撐節(jié)點間、連系系桿與柱間以及支撐與柱之間設為鉸接外，其余部分均設計成剛接，然后將荷載作用下的構件應力求出，選出合理可行的截面。此次計算所得結果應與前面整體三維建模有些許出入，原因是前面一項計算是考慮空間三維體系，而后面計算是單獨考慮平面二維體系，但是對計算結果影響不大，可作為二者設計的相互對照，用來加以檢驗。

2.5 支撐節(jié)點設計

在本工程中鋼平臺總高有29米，局部有31.5米高，另外此多層鋼結構平臺從15米至地坪之間絕大多數(shù)為無操作平臺，短跨方向采用框架的受力體系，是主要的受力方向，承受較大部分設備傳來的水平荷載及風載與地震，為了保證骨架的整體剛度，采用了栓焊混用的連接形式，這種連接形式具有施工快速，承載力高，抗反復荷載性能良好等特點。但是這種形式一般采用先栓后焊，故螺栓的預應力有一些損失，在設計中要對螺栓承載力這一塊要預以適當?shù)姆糯蟆ｉL跨方向按排架鉸接形式設計，其結構本身剛度較大，節(jié)點采用常用的一種安裝螺栓加工地焊縫的一種形式。焊縫的厚度及長度按計算確定，但也不得小于構造措施。

3 結束語

總之，廠房柱間支撐體系的布置和設計應根據(jù)具體情況統(tǒng)盤考慮，靈活處理，柱間支撐應該遵循以簡單而可靠的方式進行設計的原則，以保證建筑結構在安裝和使用時的整體穩(wěn)定，提高結構的整體剛度，形成整個結構的空間工作，并使所受的水平荷載以簡捷、明確、可靠、直接的線路傳遞到基礎。

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