手把手教你鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)柱的設(shè)計(jì)

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一、介紹設(shè)置在房屋結(jié)構(gòu)兩端山墻內(nèi)，抵抗水平風(fēng)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)造柱簡(jiǎn)稱(chēng)為抗風(fēng)柱。將抗風(fēng)柱在水平方向連接起來(lái)、起整體加固作用的鋼筋混凝土梁簡(jiǎn)稱(chēng)為抗風(fēng)橫梁。一般用于高聳、內(nèi)部大空間、橫墻少的磚混結(jié)構(gòu)房屋，如工業(yè)廠房、大型倉(cāng)庫(kù)等。圖1為單層廠房透視圖，我們從圖中可以看一下抗風(fēng)柱的位置情況：
 

   抗風(fēng)柱雖然在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《門(mén)式剛架規(guī)范》中均未有專(zhuān)門(mén)條文介紹如何設(shè)計(jì)，但是作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，只要分析清楚它在結(jié)構(gòu)體系中的受力狀態(tài)，按照規(guī)范相關(guān)條文進(jìn)行計(jì)算分析，并滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造要求，我們就能合理的設(shè)計(jì)出安全經(jīng)濟(jì)的抗風(fēng)柱。接下來(lái)我們就抗風(fēng)柱的設(shè)計(jì)全面介紹如下：

二、力學(xué)分析

抗風(fēng)柱有三種布置方法：

   (1) 即抗風(fēng)柱柱腳與基礎(chǔ)剛接，柱頂與屋架通過(guò)彈簧片連接。

   (2) 即抗風(fēng)柱柱腳與基礎(chǔ)鉸接，柱頂與屋架通過(guò)長(zhǎng)圓孔連接板或彈簧片連接。按這兩種布置方法，屋面荷載全部由剛架承受,抗風(fēng)柱不承受上部剛架傳遞的豎向荷載，只承受墻體和自身的重量和風(fēng)荷載,成為名副其實(shí)的“抗風(fēng)柱”。

   (3)按門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)布置，抗風(fēng)柱與屋架梁剛接，與鋼梁、鋼柱一起組成門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)。即抗風(fēng)柱柱腳與基礎(chǔ)鉸接(或剛接)，柱頂與屋架剛接。按這種布置方法，屋面荷載由剛架及抗風(fēng)柱共同承擔(dān)?？癸L(fēng)柱同時(shí)承擔(dān)豎向荷載和風(fēng)荷載。

第一種布置方式即懸臂梁式。

   主要特點(diǎn)是：抗風(fēng)柱柱腳剛接，相當(dāng)于我們一般的懸臂梁受力形式，抗風(fēng)柱本身獨(dú)立承受墻面?zhèn)鬟f的風(fēng)荷載。在過(guò)去重屋面的單層工業(yè)廠房中，因?yàn)榭癸L(fēng)柱和廠房結(jié)構(gòu)柱所承受的豎向荷載差距較大，為避免不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)受力形式的改變和不利影響，一般需要釋放豎向約束。在輕鋼廠房開(kāi)始的初期，我們經(jīng)?？吹揭恍﹫D紙中，在抗風(fēng)柱的頂部加設(shè)彈簧板，與主鋼架連接，就是這種設(shè)計(jì)理念。

這種抗風(fēng)柱的主要特點(diǎn)是：

   1）柱腳剛接；

   2）截面根據(jù)實(shí)際情況，有時(shí)較大，有時(shí)就會(huì)很節(jié)?。?/p>

   3）頂部彈簧板連接。

   我們現(xiàn)在把懸臂梁式抗風(fēng)柱力學(xué)模型展示如圖2所示：第二種為簡(jiǎn)支梁式，這種抗風(fēng)柱的特點(diǎn)是：柱腳鉸接、頂部與主鋼架鉸接，這種抗風(fēng)柱的受力形式簡(jiǎn)單，采用較小的截面就能滿(mǎn)足。風(fēng)荷載通過(guò)抗風(fēng)柱傳遞到主鋼架，依靠主鋼架的支撐體系承受水平風(fēng)荷載。在輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，受力形式簡(jiǎn)單，力的傳遞途徑明確。

主要的特點(diǎn)是：

   1）主鋼架承受豎向荷載和橫向水平荷載；

   2）抗風(fēng)柱承受和傳遞水平縱向風(fēng)荷載；

   3）支撐體系承受縱向水平荷載。

這種抗風(fēng)柱的優(yōu)點(diǎn)是：

   1）受力形式簡(jiǎn)單，截面較??；

   2）鉸接節(jié)點(diǎn)加工和安裝比較方便，成本低；

   3）充分發(fā)揮了整體結(jié)構(gòu)的承載能力，總體成本低。

我們現(xiàn)在把簡(jiǎn)支梁式抗風(fēng)柱力學(xué)模型展示如圖3所示：

三、設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于抗風(fēng)柱首先要滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于鋼柱的基本規(guī)定：

   1、容許長(zhǎng)細(xì)比

抗風(fēng)柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度：柱腳鉸接，柱頂鉸接，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.0；柱腳剛接，柱頂鉸接，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.732.抗風(fēng)柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度：側(cè)向支撐點(diǎn)之間的距離，可取檁條之間的距離，一般為3000m

   2、撓度

抗風(fēng)柱的撓度。由于抗風(fēng)柱受彎作為控制受力，所以也要考慮撓度，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中主鋼架的撓度限值為1/400L，《門(mén)式剛規(guī)》里面對(duì)于墻梁水平撓度要求是1/180。

四、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)完截面尺寸后，開(kāi)始要完成施工圖設(shè)計(jì)，下面介紹常用的節(jié)點(diǎn)形式：

   3、抗風(fēng)柱與屋架梁鉸接節(jié)點(diǎn)

可以看到此種柱頂鉸接采用彈簧片連接，還有采用豎向長(zhǎng)圓孔連接。

五、總結(jié)

   雖然規(guī)范中很難找到抗風(fēng)柱如何設(shè)計(jì)的條文，但是只要把它的受力分析清楚，再根據(jù)相關(guān)條文即可設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的截面來(lái)。同時(shí)根據(jù)建筑的使用要求及條件，合理選擇抗風(fēng)柱受力形式，也是我們合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以我個(gè)人多年的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于廠房抗風(fēng)柱高度不是很高，就可以選擇柱腳和柱頂都為鉸接的形式，可以得到比較經(jīng)濟(jì)的截面；而對(duì)于高度比較高的廠房，可選擇柱腳剛接，減少計(jì)算長(zhǎng)度，從而使截面經(jīng)濟(jì)性得以體現(xiàn)。