钢结构抗风柱的设计

2020-10-27 10:16:53 1194

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一、介绍设置在房屋结构两端山墙内,抵抗水平风荷载的构造柱简称为抗风柱。将抗风柱在水平方向连接起来、起整体加固作用的梁简称为抗风横梁。一般用于高耸、内部大空间、横墙少的砖混结构房屋,如工业厂房、大型仓库等。图1为单层厂房透视图,我们从图中可以看一下抗风柱的位置情况:

抗风柱虽然在《钢结构设计规范》和《门式刚架规范》中均未有专门条文介绍如何设计,但是作为结构受力构件,只要分析清楚它在结构体系中的受力状态,按照规范相关条文进行计算分析,并满足规范规定的构造要求,我们就能合理的设计出安全经济的抗风柱。接下来我们就抗风柱的设计全面介绍如下:

二、力学分析

抗风柱有三种布置方法:

(1) 即抗风柱柱脚与基础刚接,柱顶与屋架通过弹簧片连接。

(2) 即抗风柱柱脚与基础铰接,柱顶与屋架通过长圆孔连接板或弹簧片连接。按这两种布置方法,屋面荷载全部由刚架承受,抗风柱不承受上部刚架传递的竖向荷载,只承受墙体和自身的重量和风荷载,成为名副其实的“抗风柱”。

(3)按门式刚架轻钢结构布置,抗风柱与屋架梁刚接,与钢梁、钢柱一起组成门式刚架结构。即抗风柱柱脚与基础铰接(或刚接),柱顶与屋架刚接。按这种布置方法,屋面荷载由刚架及抗风柱共同承担。抗风柱同时承担竖向荷载和风荷载。

种布置方式即悬臂梁式。

主要特点是:抗风柱柱脚刚接,相当于我们一般的悬臂梁受力形式,抗风柱本身独立承受墙面传递的风荷载。在过去重屋面的单层工业厂房中,因为抗风柱和厂房结构柱所承受的竖向荷载差距较大,为避免不均匀沉降对结构受力形式的改变和不利影响,一般需要释放竖向约束。在轻钢厂房开始的初期,我们经常看到一些图纸中,在抗风柱的顶部加设弹簧板,与主钢架连接,就是这种设计理念。

这种抗风柱的主要特点是:

1)柱脚刚接;

2)截面根据实际情况,有时较大,有时就会很节省;

3)顶部弹簧板连接。

我们现在把悬臂梁式抗风柱力学模型展示如图2所示:第二种为简支梁式,这种抗风柱的特点是:柱脚铰接、顶部与主钢架铰接,这种抗风柱的受力形式简单,采用较小的截面就能满足。风荷载通过抗风柱传递到主钢架,依靠主钢架的支撑体系承受水平风荷载。在轻型钢结构厂房设计中,受力形式简单,力的传递途径明确。

主要的特点是:

1)主钢架承受竖向荷载和横向水平荷载;

2)抗风柱承受和传递水平纵向风荷载;

3)支撑体系承受纵向水平荷载。

这种抗风柱的优点是:

1)受力形式简单,截面较小;

2)铰接节点加工和安装比较方便,成本低;

3)充分发挥了整体结构的承载能力,总体成本低。

我们现在把简支梁式抗风柱力学模型展示如图3所示:

三、设计计算对于抗风柱首先要满足《钢结构设计规范》中对于钢柱的基本规定:

1、容许长细比

抗风柱平面内计算长度:柱脚铰接,柱顶铰接,计算长度系数为1.0;柱脚刚接,柱顶铰接,计算长度系数为0.732.抗风柱平面内计算长度:侧向支撑点之间的距离,可取檩条之间的距离,一般为3000m

2、挠度

抗风柱的挠度。由于抗风柱受弯作为控制受力,所以也要考虑挠度,《钢结构设计规范》中主钢架的挠度限值为1/400L,《门式刚规》里面对于墙梁水平挠度要求是1/180。

四、节点构造

当我们设计完截面尺寸后,开始要完成施工图设计,下面介绍常用的节点形式:

3、抗风柱与屋架梁铰接节点

可以看到此种柱顶铰接采用弹簧片连接,还有采用竖向长圆孔连接。

五、总结

虽然规范中很难找到抗风柱如何设计的条文,但是只要把它的受力分析清楚,再根据相关条文即可设计出经济合理的截面来。同时根据建筑的使用要求及条件,合理选择抗风柱受力形式,也是我们合理设计的关键。以我个人多年的钢结构设计工作经验:对于厂房抗风柱高度不是很高,就可以选择柱脚和柱顶都为铰接的形式,可以得到比较经济的截面;而对于高度比较高的厂房,可选择柱脚刚接,减少计算长度,从而使截面经济性得以体现。


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