钢柱系统设计

钢柱系统设计        (design of steel column systern)

由钢柱和传递纵向水平荷载和作用的柱间支撑组成结构的布置、选型的设计。其主要内容包括钢柱和柱间支撑的设计。

钢柱       承受厂房结构的全部荷载，并将其传给基础。要根据厂房特点、选择钢柱的类型和截面型式，进行钢柱计算。

柱的类型和截面型式         钢柱按外形可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱(图1)。等截面柱沿其高度截面不变，适用于无吊车或吊车起重量较小的厂房。阶形柱沿其高度截面分段变化，适用于吊车起重量较大的厂房。分离式柱为支承吊车梁的独立分肢(图1e、f )，与框架柱(阶形柱或等截面柱)仅用水平板相连。分离式柱适用于有预留扩建的跨间和吊车轨顶不在同一标高，且吊车起重量较大的中列柱。按截面型式可分为实腹柱和格构式柱。实腹柱由翼缘和腹板组成，截面型式有多种。最主要常用的是由两块翼缘板和一块腹板组成的工字形截面实腹柱(图1中的剖面1—1和上段柱)；当垂直荷载较大时，偶尔也采用两块翼缘板，两块腹板组成的箱形柱。这种柱的制作较复杂。格构式柱由分肢和缀条组成(图l剖面2—2～4—4)。分肢常为工字形或槽形截面。有吊车的冶金工厂，其厂房柱的大部分都是上段柱为实腹、下段柱为格构式的阶形柱。确定柱的轮廓及截面尺寸时，要考虑其与行列线的关系、荷载的传递及构造要求。对于上段柱，要考虑是否需设置人孔及吊车行驶时需要的净空。对于下段柱，要使吊车肢腹板的中心线与吊车轨道中心线相重合。

 

 

钢柱计算       钢柱受的荷载有：屋盖恒荷载、屋面活荷载、吊车荷载、墙体荷载、平台荷载、钢柱自重和风荷载等。位于地震区的厂房钢柱，还承受地震作用。

计算内容包括钢柱、肩梁、柱脚、人孔、牛腿等的强度、稳定性和相关连接强度的验算。

(1)钢柱。经框架分析求得钢柱的内力后，验算钢柱的强度，弯矩作用平面内、外的稳定性，长细比，使其满足规范要求。对于阶形柱的上段及下段需分别进行上述验算。当下段柱为格构式柱时，还要验算分肢的稳定性(弯矩作用平面外的整体稳定性可不计算)。若分肢受有吊车荷载的纵向偏心，需计及偏心弯矩对钢柱的影响。缀条的强度及稳定性都需验算。

(2)肩梁。连接阶形柱上、下段柱的部件。它将上段柱的轴心力、弯矩传给下段柱。肩梁一般包括腹板(单腹板或双腹板)、上部板和下部板三部分。肩梁要有足够的刚度，使其在受力变形时，在上段柱顶部相应产生的水平变位和角变位保持在容许范围之内；在下段柱的分肢中相应产生的弯矩可以忽略不计，或由此弯矩产生的应力与其它应力的组合值不超过规定值。按最不利组合求出肩梁剪力和弯矩，并验算肩梁强度、肩梁与上下段柱的连接焊缝的强度和传递内力的加劲肋的焊缝的强度。

(3)柱脚。柱与基础的连接部分。主要可以分为整体式和分离式(图2)两种。整体式柱脚一般用于宽度较小的实腹柱。对于宽度较大的实腹柱，可采用整体式或分离式柱脚。前者较费钢材，构造也较复杂。对于格构式柱，多采用分离式柱脚。其计算内容包括：柱底板处基础混凝土的局部受压承载力、底板的强度、锚栓面积、柱底剪力的传递及连接焊缝等。

                                                                                            

 

 

此外，还有插入式柱脚，即将钢柱(或分肢)直接插入杯口。需要时，在钢柱上焊以锚固件。

(4)人孔。柱腹板上开设的供人员通行的孔洞。由于净空要求，在柱侧安全走道不能贯通时，开设人孔，以便通行。要使人孔底部标高与吊车梁顶面标高相协调。人孔净空：宽度为400mm、高度不小于1800mm。人孔周围的腹板，用钢板加强。验算人孔分肢的强度及稳定性。

((5)牛腿(图1a、b)。用以支承吊车梁、平台梁和墙梁等。一般由上、下翼缘板及腹板组成。要验算牛腿及其连接的抗弯强度和抗剪强度。

柱间支撑      传递纵向水平荷载和作用，保证柱的纵向稳定性和厂房的纵向刚度。设计内容包括支撑形式的确定和支撑计算等。柱间支撑一般由上部柱间支撑(屋架下弦至吊车梁顶面之间的支撑)、下部柱间支一撑(吊车梁底部至柱脚之间的支撑)、中部柱间支撑(中列柱两相邻吊车梁顶面标高不相同或有双层吊车梁时，其间设置的支撑)组成(图3)。屋架端部的垂直支撑及系杆、托架、吊车梁系统也参与纵向水平荷载和作用的传递。

布置柱间支撑，要考虑工艺、生产对净空的要求以及厂房的纵向刚度。下部柱间支撑和中部柱问支撑宜设置在温度区段中部范围内，根据纵向水平力的大小和刚度需要可设置一道或两道。对于上部柱间支撑，则宜设置在温度区段两端和有下部柱间支撑的柱间。

支撑形式       主要有交叉支撑，人字形、倒人字形、带横杆的人字形支撑和门形支撑(图3a～d)。交叉支撑的构造简单，传力直接，工程中广泛采用。有时由于柱距较大或工艺上要求，不能或不宜采用交叉支撑时，则采用带横杆的人字形支撑、门形支撑或其它支撑。门形支撑只用于下部柱间支撑。对于人字形支撑(或倒人字形支撑)，在其尖部处与吊车梁系统连接，以传递(仅传递)纵向水平力。该连接要作构造处理，使其对吊车梁的下挠无任何约束。根据柱的宽度，可设置单片或双片柱间支撑，下部柱间支撑一般为双片。

                                                                  

                

支撑计算       对于交叉支撑，假定一根杆件受拉，另一根杆件不受力，求出杆件所受的拉力；亦可考虑一根杆受拉，另一杆件受压。对于人字形和倒人字形支撑，根据节点的内力平衡即可算出杆件内力。对于门形支撑，根据传力途径，求出支座反力，算出各杆件内力。要验算支撑各杆件的强度及压杆的稳定性。其长细比也需满足规范要求。