探讨抽柱门式刚架厂房设计

吴华芬

广州市中虹钢结构工程有限公司

摘要：由于工艺布置或物流输送的要求，抽柱门式刚架在工程中得到越来越多的应用。所以当前门式刚架工业厂房的设计中，经常会遇到大开间抽柱的厂房，此类厂房通常采用纵向刚架（或托梁）来支撑屋面。本文建立了抽柱门式刚架的计算模型，对托梁刚度和水平荷载的分配进行了研究，得出了抽柱情况下对梁柱截面和水平荷载分配的影响，最后结合我国现行规范对抽柱式门式刚架的设计注意事项进行了说明。

关键词：门式刚架；抽柱；设计；托梁

随着CECS102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的颁布实施，标志着我国门式刚架设计理论及方法已经成熟，门式刚架这种新型钢结构已成为我国现代工业厂房发展最快的一种结构体系。但工业厂房因为工艺布置或物流输送要求，需要开阔的操作空间而抽去了部分立柱，因此形成了抽柱门式刚架。所以，本文对抽柱门式刚架的设计方法进行探讨，希望能给相关工程设计人员提供一定的参考。本文案例讨论的是门式刚架厂房抽中间钢柱。

图1为抽柱门式刚架示意。

立面示意图图1

钢架平面示意图图2

抽柱会导致抽柱榀刚架跨度过大，通常设置纵向实腹托梁，并且与屋面支撑系统相连接。对于抽柱所形成的局部柱网增大，本文认为其不适用于抽柱排架计算方法。排架的计算假定为梁柱铰接，其不存在柱、梁的弯矩分配问题，并且排架受力时柱端水平位移相等。而刚架为梁柱刚接，不仅存在梁、柱的弯矩分配而且受力形式完全不一样。标准榀门式刚架中柱不仅承担该榀刚架传递的荷载而且还承担托梁传递的荷载。

另一方面，因为抽柱会导致抽柱榀刚架的平面内刚度比标准榀刚架的平面内刚度弱，为避免二者刚度相差过于悬殊，导致水平荷载的不均匀分配，通常托梁与标准榀的刚架柱在平面内为铰接。图2为标准榀钢架、抽柱榀钢架平面布置图。

1.1托梁刚度的确定

抽柱榀中间支座为托梁，托梁具有竖向刚度K1和水平刚度K2，在计算中应首先确定K1和K2。托梁的竖向刚度K1和水平刚度K2可通过在托梁抽柱位置施加单位水平力计算竖向位移Δ1和水平位移Δ2，按照下列公式计算得到：

K1=1/Δ1（1）

K2=1/Δ2（2）

其中，水平刚度K2可以按照托梁两端铰接计算得到，鉴于梁的水平刚度通常都会很小，在结构计算中的刚度贡献也比较小，可以假设该刚度为零。

1.2水平荷载的分配

假设标准榀和抽柱榀水平刚度分别为K3和K4，单位荷载作用下水平位移分别为Δ3和Δ4，则水平力分配公式如下。标准榀分配系数：

κ1=K3/（K3+K4）=Δ4/（Δ3+Δ4）

Δ4）抽柱榀分配系数：

κ2=K4/（K3+K4）=Δ3/（Δ3+

抽柱门式刚架的计算本质上是一个空间受力问题，为使计算简洁和便于应用，把空间问题转化为平面问题。由于忽略相邻刚架空间整体效应对整个结构的有利影响，本模型计算结果是偏于保守和安全的。

经中国建筑院PKPM软件计算，15m托梁截面为H800x300x8x14，托梁竖向刚度K1=4673.50kN/m水平刚度K2=184.60kN/m，托梁挠度按钢结构规范L/400控制。两榀刚架计算模型见图3及图4，计算结果比较见表1。

标准榀钢架图3

抽柱榀钢架图4

托梁弹簧刚度图5

通过以上两个简单门式刚架比较可看出，抽柱后梁跨中弯矩变小，支座弯矩变大，柱弯矩变大，梁、柱轴力、剪力均变大。可见抽柱后，刚架梁柱截面均变大。

对于非抽柱刚架，恒载和活载按一般的框架计算，但在中间柱顶处需另外增加由两侧托梁传来的集中荷载。风荷载除了自身刚架受荷范围内的风荷载外，还需分担两侧抽柱刚架的部分风载，通常取两侧抽柱刚架1/2的风荷载进行计算。对于纵向刚架，在与屋面梁连接处有由横向框架屋面梁传来的恒载和活载。风荷载则分两种情况考虑，一是山墙方向的纵向风荷载，作用于纵向刚架的柱顶，同时对纵向刚架梁也产生一个向上的吸力，风吸力的体型系数为－0.7；二是由横向框架方向传来的风荷载（横向风荷载），与恒载和活载相似，是以集中荷载的形式传到中间柱顶的位置。因此，对于纵向刚架，应按照纵横两个方向风荷载作用下的两种工况来分别进行计算。

在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）没有对纵向托梁或纵向刚架的挠度及侧移做出明确的规定，设计时可以参照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录Ａ的规定，在全部荷载标准值作用下，挠度值限值取Ｌ／400，在可变荷载标准值作用下，挠度值限值取Ｌ／500，在风荷载标准值作用下，侧移限值取Ｈ／150。

对于抽柱框架，由于中柱被抽，导致整榀框架的侧向刚度相对普通刚架减弱很多，为了减小抽柱刚架与普通刚架两者间的侧移差异，在部分中柱被抽且风荷载较小的情况下可以靠增大梁柱截面来提高抽柱框架的侧移刚度；倘若所有中柱均被抽掉只剩两根边柱的情况下，上述方法效果不明显也不经济，这种情况下通常采取在檐口处通长增设屋面纵向支撑来实现。在非抽柱框架建模的时候，通过在柱顶增加一弹性支座来模拟屋面支撑的刚度贡献，刚度取值通过刚架侧移值的协调来决定。

托梁斜撑图6

本计算模型中抽柱位置按弹性支座建模，这与结构真实的受力模型是一致的，因此刚架跨中的竖向挠度可以按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定进行控制。门式刚架本身柔性大，当进行了抽柱设计之后局部刚度减弱，如果不考虑抽柱榀刚架的刚度减小，仍按面积分配水平荷载，对于标准榀计算水平位移会小于实际结构水平位移，计算结果偏于不安全。所以，当具有抽柱情况下，可以适当忽略钢梁对抽柱刚架水平刚度贡献，水平荷载按照刚架刚度比进行分配。抽柱后抽柱榀刚架水平荷载会有一部分传递到托梁上，该荷载对托梁来说作用于托梁的弱轴，容易引起托梁的扭转变形，钢结构的抗扭能力比较弱，构造上可以通过在托梁位置设置屋面纵向水平支撑来提供托梁的平面外刚度，如图6。

参考文献：

[1]CECS102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（2012年版）

[2]GB50017-2003钢结构设计规范

[3]GB50009-2012建筑结构荷载规范

[4]《钢结构设计手册》（第三版）中国建筑工业出版社2004

[5]《钢结构设计与计算》（第二版）包头钢铁设计研究总院主编柴昶宋曼华