门式刚架纵向柱计算长度和钢梁平面外支撑长度

唐佳卫

中国海诚工程科技股份有限公司 上海 200031

1 概况

对于常规大面积的工业厂房、物流仓库，门式刚架具有跨度大、重量轻、整体刚度好、柱网布置灵活等优势。对比于传统的框架结构或者排架结构，门式刚架工业化程度高，运输便捷，安装方便快速，土建施工量小，综合经济效益高。随着门式刚架结构的普及，门式刚架的设计也越来越精细化，国家也推出了新版的《门规》[1]，本文就设计过程中一些容易出错的地方，与大家共同探讨。

2 纵向柱计算长度系数

门式刚架标准的计算分析方法是不考虑蒙皮效应，整体模型分为横向和纵向，按平面结构分析内力。横向为刚架模型，有侧移受力体系。纵向为桁架模型，柱与系杆铰接，中间设柱间支撑，无侧移受力体系。由于纵向为无侧移受力体系，所以在横向刚架模型分析时，钢柱的平面外计算长度系数取1.0或者取纵向系杆间距。也就是因为钢柱平面外计算长度较小，钢柱的翼缘宽度可以设计得窄而薄，具有较好的经济优势。

根据《门规》要求，纵向的柱间支撑宜取30米～40米，柱间支撑可采用门式框架、圆钢交叉支撑、型钢交叉支撑、方管或圆管人字支撑等。在有些时候，采用交叉支撑经常会影响到设备使用、物流运输或者门窗开洞，特别是多跨刚架中柱的纵向设计。此时，很多工程师会采用门式框架的柱间支撑形式，或者大大减少交叉支撑的数量。那么在这个时候，纵向结构体系是否还能满足无侧移的计算假定呢？

《钢标》[2]式8.3.1-6是判断有无侧移的规范依据。公式的左边Sb为支撑结构的侧移刚度，可以用水平工况比如风荷载工况的水平力除以对应工况的位移比来计算。右边公式的Nb和N0分别是采用无侧移框架和有侧移框架计算长度系数算得的轴压稳定承载力。笔者选取了某个工程的一榀纵向模型，柱截面为H600x350x8x14，共8跨9根柱子。模型1采用了三跨圆钢交叉支撑。模型2采用了一跨圆钢交叉支撑。模型3采用满布门式框架支撑。

计算结果见表一。

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结论：

1. 刚架侧移刚度与结构本身的布置有关，以往经验上根据位移比1/1000来判断有无侧移并不完全准确，还应考虑荷载大小的因素。在荷载很小的情况下，即使位移比很小，侧移刚度也会较弱。

2. 交叉支撑可以有效增大侧移刚度，但如果支撑布置的很少，结构仍可能是有侧移体系。

3. 仅布置门式框架完全无法满足无侧移的条件。验证了《门规》6.1.3条，未设置柱间支撑情况下，柱应按双向受力计算。

4. 在弱支撑或者仅设置门式框架支撑的情况下，纵向结构体系为有侧移框架，那横向刚架计算时柱平面外计算长度取1.0会存在较大安全隐患，设计师应引起重视。此时应修正横向刚架柱平面外计算长度系数或采用考虑双向受力计算的三维模型。

3 钢梁平面外侧向支撑

通长设置的纵向刚性系杆，一般连接在钢梁的上翼缘附近，可以作为钢梁上翼缘平稳外的侧向支撑。与钢梁连接的檩条，根据《门规》9.1.7条和9.1.8条，在满足规范计算要求的情况下，檩条可以兼做屋面横向水平支撑的压杆。但实际制作安装时，厂家为了方便，一般在檩条上开长圆孔，这样檩条就失去了传递水平力的作用。所以笔者认为不应考虑檩条作为钢梁上翼缘平面外稳定的侧向支撑，仅仅作为一种结构的安全储备。

根据《门规》第7.1.6条，隅撑在满足一定的布置条件下，可以考虑其对钢梁下翼缘平面外稳定的支撑作用，但隅撑不能作为完全固定的侧向支撑，而仅仅是弹性支座。并且这种支撑作用随着钢梁下翼缘截面的增大，逐渐减小。

根据刚架受力特点，钢梁在跨中一般为上翼缘受压，在钢梁端部为下翼缘受压。因此，笔者认为应在跨中区域应设置通长的刚性系杆，作为钢梁上翼缘的平面为侧向支撑。而在钢梁端部，一般截面较大，连接在靠近上翼缘附近的刚性系杆无法作为受压下翼缘的侧向支撑，受压的下翼缘只能依靠隅撑的侧向弹性支撑作用，同时隅撑的支撑作用随着下翼缘截面的增加而减小。所以笔者建议钢梁端部的设计应尽可能的减小下翼缘的截面面积，通过调整梁截面高度和上翼缘截面来满足强度要求。只有这样，常规的隅撑布置才能有效的约束受压的下翼缘。根据笔者的经验，对于45度布置，采用L63x5的隅撑，隅撑间距3000情况下，钢梁的下翼缘截面不宜大于300x12，此时隅撑才能起到有效的侧向弹性支撑作用。

4 主要结论

本文首先讨论了门式刚架设计中关于纵向柱计算长度系数取值的问题，参考《钢标》相关规范，举例计算了相关模型的侧向刚度和柱稳定承载力，通过对比可以发现，较少的交叉支撑和门式框架支撑侧向刚度较弱，不足以满足规范对无侧移框架的要求，柱计算长度系数应按有侧移计算。

其次本文讨论了钢梁平面外侧向支撑的问题，论述了钢梁跨中和梁端受压翼缘侧向支撑的布置。最终笔者建议在钢梁跨中的受压上翼缘，宜布置通长的系杆来作为钢梁平面外稳定的有效侧向支撑。在钢梁端部的受压下翼缘，宜布置隅撑并控制钢梁下翼缘的截面面积，使隅撑作为钢梁平面外稳定的侧向弹性支撑。