柱子系统设计讲义

目录第一章荷载和作用 3一、一般说明 3二、永久荷载（恒荷载） 5三、吊车荷载 6四、雪荷载 8五、积灰荷载 9六、屋面均布活荷载 11七、风荷载 12八、温度作用 14九、地震作用 15第二章单层工业厂房框架柱的设计 17一、一般要求 171.框架柱的类型 182.框架柱的截面形式 193.框架柱的截面大小 19二、框架柱整体计算 201.计算简图 202.框架sts计算中一些问题 213.框架结构的刚度限值 304.抽柱计算 31三、框架柱、梁腹板的局部稳定的问题 361.框架柱腹板的局部稳定问题 372.屋面梁腹板的局部稳定问题 39第三章框架柱的局部设计 41一、柱人孔设计 411.上阶柱人孔设计 412.下阶柱人孔设计 42二、肩梁设计 441．强度验算 452．肩梁的刚度问题 473．连接和局部计算 48三、柱脚设计 491.柱脚的类型 492．柱脚计算 513.插入式柱脚设计 544.柱脚构造 56第四章柱间支撑设计 58一、一般说明 58二、柱间支撑的计算 601.荷载传递路线 602.十字交叉支撑 603.K型支撑 614.八字形支撑 615.单斜压杆上柱支撑 616.单斜杆下柱支撑 627.y形下柱支撑 628.扩大门形下柱支撑 629.支撑压杆允许长细比 63三、柱间支撑的构造和连接 631.单角钢折减系数 632.单层工业厂房的柱间交叉支撑构造要求 633.支撑填板的布置 64第五章其他 65一、跨度大于36m屋架对框架柱的水平推力问题 65二、规范中节点域公式在单层工业厂房刚接框架设计上的适用性 66三、高温对钢结构的影响 66四、格构柱横隔设置的要求 67五、工字型柱腹板横、纵加劲 67第一章荷载和作用一、一般说明作用在结构上的荷载，针对不同情况，需要由一些荷载数值来代表，通称为荷载代表值。对永久荷载，采用标准值作为代表值；对可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。荷载标准值是指在设计基准期内最大荷载统计分布的特征值，即超过该值的可能性为5%，就是一般来说的“可能出现的最大值”；组合值、频遇值及准永久值都是在标准值的基础上乘以系数得到。荷载设计值为荷载标准值与荷载分项系数的乘积。荷载组合值是当两种或两种以上可变荷载需要同时作用时，考虑到所有荷载同时达到最大值的可能性极小，这时，除了主导荷载（产生最大效应的荷载）外，其他伴随的可变荷载取小于标准值的组合值作为荷载的代表值。频遇值是《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（下简称《荷载规范》）新添的荷载代表值，它是对应于某些极限状态，允许在一个较短时间内被超过，相当于结构上时而出现的、不超过标准值的一个较大荷载值，它通常大于或等于准永久值。例如，对结构振动涉及人的舒适性、影响非结构构件的性能和设备的使用功能的极限状态时采取频遇值。准永久值是针对可变荷载来讲，指在设计基准期内，（《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001采用的设计基准期为50年），超过这一数值的时间为设计基准期的一半，这个数值即为准永久值。结构设计时，一般应满足承载能力极限状态和正常使用极限状态。对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合来进行荷载效应组合，并应满足下面的表达式：g0S≤R式中g0—结构重要性系数；S—荷载效应组合的设计值R—结构构件抗力的设计值结构重要性系数，对于一般的工业和民用钢结构，根据《钢结构设计规范》GB50017-2003（下简称《钢规》）第3.1.3条，安全等级为二级，g0取1.0。荷载效应的基本组合，是由永久荷载、可变荷载考虑它们的荷载分项系数，并在有多个可变荷载时，考虑荷载组合值后得到的荷载总效应。荷载的组合可能有很多种，设计时需要找出产生荷载效应最大（即最不利）的那一个荷载组合作为结构或构件设计的荷载组合。对于排架结构，基本组合可以采用简化规则，当由可变荷载控制时，荷载效应S当由永久荷载控制时，荷载效应S对于正常使用极限状态，当考虑短期效应时，分别采用荷载的标准组合或频遇组合；当考虑长期效应时，可采用准永久组合。对于单层工业厂房来说，承受的荷载和作用有：1.永久荷载（恒荷载）：承重结构的自重、屋面板和墙面板自重、设于结构上的管线及设备自重等；2.可变荷载（活荷载）：吊车荷载、雪荷载、积灰荷载、屋面及走台上的均部活荷载、风荷载、管线及设备工作时对厂房结构产生的作用力（扣除自重）；3.温度作用：当框架横向和纵向单元长度不超过《钢结构设计规范》（78页，第8.1.5条）规定的温度区段长度值时，一般不用考虑温度作用；4.框架柱基础不均匀沉降或倾斜对框架产生的影响；5.偶然荷载：如地震荷载、重物对结构的撞击等。二、永久荷载（恒荷载）1.承重结构自重：在用STS软件计算框架时，可以选择由程序自动考虑。2.屋面板和墙面板压型钢板自重一般为7～15kg/㎡，夹芯保温板自重一般为12～35kg/㎡，对于柱距≥12m的单层工业厂房，我公司建筑专业常用的板型，以及在结构设计时，恒荷载的设计取值见下表：屋面板在水平投影面上自重的设计恒荷载取值（kg/㎡）屋面板压型钢板型号（板厚0.8mm）波高（mm）自重kg/㎡跨度设计取恒荷载不保温时1YX114-333-666（角驰Ⅲ，常用）1149.54m15kg/㎡2YX51-380-760型（角驰Ⅱ）768.33.6保温时上层板1YX114-333-666（角驰Ⅲ，常用）1149.5430kg/㎡2YX51-380-760型（角驰Ⅱ）768.33.6m下衬板YX28-205-820型287.7－保温材料1岩棉80-100mm厚（取1kN/m3）－102超细玻璃丝棉80-100mm厚（常用）－＜10墙面板在正投影面上自重的设计恒荷载取值（kg/㎡）墙面板压型钢板型号（板厚0.8mm）波高（mm）自重kg/㎡跨度设计用恒荷载不保温时1YX35-125-750型（V125）358.4215kg/㎡2YX28-205-820型287.7保温时外层板1YX35-125-750型（V125）358.4225kg/㎡2YX28-205-820型287.7内衬板YX15-225-900型287保温材料1岩棉80-100mm厚（取1kN/m3）－102超细玻璃丝棉80-100mm厚（常用）－＜10三、吊车荷载1.吊车设计参数单层工业厂房通常采用电动桥式吊车，根据吊车的利用等级和荷载状态分A1～A8共8个工作级别：A3及以下为轻级，A4、A5为中级，A6、A7为重级，A8为特重级。另外，工艺提供的吊车资料里应包括：吊车轮距尺寸、额定起重量、工作级别、最大轮压、吊车总重、小车重、每侧制动轮的轮数、轨道型号、车挡高度等。在同一跨间，当吊车在一侧产生最大轮压的时候，另一侧必然会产生最小轮压。最小轮压由最大轮压计算得到，公式如下：PQ吊车起重量G吊车总重n吊车一侧轮数吊车额定起重量指吊车正常工作时吊钩下一次起升的最大重量。对于具有主、副钩的桥式吊车，主、副钩一般不同时工作，通常以主钩起重量做为吊车的额定起重量。例如，吊车30/10t，额定起重量为30t。另外，有时吊车在吊钩下还有挂梁，因此需要注意额定起重量里是否已经包括了挂梁重量，与工艺联系，以免额定起重量漏项。对于双钩吊车，例如25+25t，则应计入双钩的起重量，即额定起重量为50t。2.吊车横向和纵向的水平荷载对于吊车产生的横向水平荷载，在计算框架柱时，注意无论重级还是中、轻级，一律按照《荷载规范》第5.1.2条2款规定，而不采用《钢规》第3.2.2条规定。因为《钢规》第3.2.2条是适用于在“计算重级工作制吊车梁（或吊车桁架）及制动结构的强度、稳定性以及连接的强度时”，考虑吊车摆动引起的横向水平力，不用于框架柱的计算。根据《荷载规范》得到吊车横向水平荷载等分于吊车桥架两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨顶，其方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向。这里，是假设框架一跨的两柱列横向刚度相等，若两列刚度相差很大，按两列等分小车横向刹车力就会存在偏差。对于吊车产生的纵向水平荷载，《荷载规范》第5.1.2条1款规定“吊车纵向水平荷载标准值应按作用在一边轨道上‘所有’刹车轮的最大轮压之和的10%采用”。这里的“所有”，就是说有几台就计算几台。显然，规范在此处的说法不够严谨。因为，多台车满载、在一侧轨道产生最大轮压且同时刹车的可能性几乎为零，多台吊车也存在组合折减的问题；在一个温度区段内，柱间支撑设计只考虑本区段内的吊车纵向刹车情况，虽然是同一侧轨道，但其他温度区段内的吊车刹车力不予考虑。所以，吊车纵向刹车力一般取起重量最大的2台吊车，并考虑2台吊车的折减系数（当仅有一台吊车时，不考虑折减）。3.多台吊车的组合根据《荷载规范》第5.2条规定，在计算排架考虑多台吊车水平荷载时，对单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不应多于2台；考虑多台吊车竖向荷载时，对一层吊车单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不宜多余2台，对一层吊车的多跨厂房的每个排架，不宜多余4台。计算排架时，多台吊车的竖向和水平荷载的标准值，应乘以表5.2.2中的折减系数：4.吊车荷载的动力系数框架计算时，不用考虑吊车轮压的动力系数。但是，在计算吊车梁及其连接强度时，吊车竖向荷载应乘以动力系数。其中，对于悬挂吊车（包括电动葫芦）及A1～A5的软钩吊车，动力系数可取1.05；对于A6～A8的软、硬和其他特种吊车，动力系数可取1.1。吊车梁的疲劳计算采用1台吊车标准值，不考虑动力系数；计算吊车梁挠度时，只考虑一台吊车的作用，不乘以动力系数，也不减去起拱值。5.吊车荷载的标准值、组合值、频遇值及准永久值吊车荷载是移动荷载，需要利用影响线法求出吊车荷载作用到柱子上的最大作用力。处于工作状态下的吊车，一般很少会持续地停留在某一个位置上，所以在正常情况下，吊车荷载的作用都是短暂的。当空载吊车经常安置在某个指定位置时，计算吊车梁的长期荷载效应采用准永久值。在厂房框架计算时，荷载永久组合中不考虑吊车荷载。四、雪荷载1.雪荷载标准值和基本雪压单层工业厂房的设计基准期为50年，基本雪压按《荷载规范》附录D.4中附表D.4给出的50年一遇的雪压采用。屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：雪荷载的组合值系数取0.7，频遇值系数取0.6，准永久值系数应按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0；雪荷载分区按《荷载规范》附录D.4或D.5.2的规定采用。2.屋面积雪分布系数屋面积雪分布系数应根据不同类别的屋面形式，按《荷载规范》表6.2.1采用。单层工业厂房设计时，按下列规定采用积雪的分布情况：檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用；屋架可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布情况和半跨均匀分布情况采用；框架柱按积雪全跨的均匀分布情况采用。3.屋面雪荷载不与屋面均布荷载同时考虑。五、积灰荷载在设计生产中有大量排灰的单层厂房及其临近建筑时，对具有一定除尘设施和保证清灰制度的机械、冶金、水泥等的厂房屋面，其水平投影的屋面积灰荷载，应按《荷载规范》表4.4.1-1和表4.4.1-2采用对屋面上易形成灰堆处，当设计屋面檩条时，积灰荷载标准值可乘以增大系数：在高低跨处两倍于屋面高差但不大于6m的分布宽度内取2.0；在天沟处不大于3m的分布宽度内取1.4。曾发生高低跨处局部积灰超载引起的事故，见下图。原设计屋架上弦端节点只承受半块大型屋面板负荷，由4个螺栓与高跨柱连接，承载力还有富裕。然而，由于积灰过厚导致灰载过大，4个螺栓剪断，屋架上弦下垂，屋面板滑下，连带一大片屋盖坠落。积灰荷载应与雪载和不上人屋面均布活载两者中的最大值同时考虑。另外，对于有些现代化的钢铁工厂，由于采用先进的环保设备，实际灰载已大为减少。对于这种情况，屋面灰载可以适当考虑予以折减。六、屋面均布活荷载单层工业厂房的屋面，其水平投影上的屋面均布活荷载，应按《荷载规范》表4.3.在《钢规》第3.2.1条强制性条文中注规定“对支承轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、框架等），当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60㎡时，屋面均布活荷载标准值应取0.3kN/㎡”。此条的条文说明中解释：当仅有屋面均布荷载这一个可变荷载时，适用本条规定；但当存在积灰等其他可变荷载、需考虑组合系数参与组合时，屋面活荷载标准值仍取0.5kN/㎡。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECE102：2002第3.2.2条（强制性条文）规定屋面均活为0.5kN/㎡，但在下注（未用黑体字，一般条文）文中说“对于受荷水平投影面积大于60㎡的刚架构件，屋面均活标准值可取不小于0.3kN/㎡”，没有仅存在均布活载的条件限制。《钢规》是国家规范，《门规》是协会规范；《钢规》是2003年颁布，《门规》是2002年颁布，单层工业厂房钢结构通常适用《钢规》，所以应以《钢规》为准。通常，单层工业厂房屋面均布活载采用0.5kN/㎡,对于仅有均活这一个可变荷载存在、且受荷水平投影面积超过60㎡时，可以取0.3kN/㎡。对于吊车梁走道板上均布活荷载取值问题，取2.0kN/㎡（见《荷载规范》第4.2.2条）；当有积灰荷载时，可根据实际情况，按0.3～1.0kN/㎡考虑。另外，它的组合值系数应按《荷载规范》附录C的规定，附录C中没有规定的，按实际情况采用，并应不小于0.7。七、风荷载1.风荷载标准值及基本风压单层工业厂房上作用的风荷载方向垂直于墙面和屋面，风荷载标准值按下式计算：风荷载的组合值、频遇值系数分别取0.6、0.42.风压高度变化系数对于平台或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类型按《荷载规范》表7.2.1确定。地面粗糙度类型分为A类、B类、C类、D类。A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。另外，对于在山区的建筑，还应在表7.2.1基础上考虑地形修正系数η，详见《荷载规范》第7.2.2条。3.风荷载体型系数单层工业厂房框架结构设计时，风荷载体型系数见《荷载规范》表7.3.1，其中，“+”表示垂直压向屋（墙）面，“-”表示垂直离开屋（墙）面，常用的体型系数类别如下：设计厂房柱间支撑时，计算屋面横向天窗承受的风荷载作用力时，横向天窗的体型系数参考下面的类别：当厂房双面和四面开敞时，除山墙外，考虑纵向风荷载产生的水平力为：4.顺风向风振和风振系数所谓顺风向风振是指顺着风作用方向，风压脉动对结构产生的振动影响；而横风向风振是指垂直于风作用方向，风压脉动对结构产生的振动影响。对于基本自振周期0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋，均应考虑顺风向风振的影响。通常情况下，单层工业厂房不需要考虑顺风向风振，风振系数βZ取1.0。5.阵风系数阵风系数在计算幕墙（包括门窗）时需要考虑，对厂房的屋面、墙面构件设计取阵风系数为1.0。八、温度作用 当单层房屋和露天结构的横向、纵向温度区段长度，即横向、纵向伸缩缝间距不超过《钢规》第8.1.5条时，一般情况可不用考虑温度应力和温度变形的影响。钢结构由于弹性、延性较好，且由各构件组装而成，对调整温度应力有较好条件，一般纵向温度区段常有扩大，据报道国内钢结构纵向有扩大至470m。但是，对待横向区段则比较谨慎，因为有吊车卡轨等问题，一般不宜过多扩大。温度应力计算时，温差的取值可参考下表：各类车间的计算温差参考值车间类型及使用条件△t采暖车间25～30非采暖车间北方采暖地区35～45中部地区（长江中下游与陇海铁路线之间）25～35南方地区（包括四川盆地）15～25热加工车间40露天栈桥北方地区55南方地区45 九、地震作用1.抗震设防分类和设防标准根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（下简称《抗震》），建筑根据重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类型。单层工业厂房一般属于丙类。注意同一地区、不同抗震设防类型的建筑采取的设防烈度不一样。例如对甲类建筑，地震烈度取高于本地区的设防烈度要求；对乙类建筑，地震作用采用本地区的设防烈度。对乙类建筑的抗震措施，一般情况下，当设防烈度为6～8度时，应为本地区设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应采取比9度更高的要求。抗震设防烈度为6度时，单层工业厂房可不进行地震作用计算，但应符合抗震措施的要求。2.地震影响和场地抗震设防烈度和地震加速度的对应关系，见下表：我国主要地区的抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和地震分组，根据《抗震》的附录A采用。建筑场地为Ⅰ类时，乙类建筑允许采用本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施，丙类建筑允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施，但6度设防应仍按本地区的设防烈度要求采取抗震构造措施。建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时，对设计地震加速度为0.15g和0.30g的地区，除《抗震》另有规定外，宜分别按抗震设防烈度8度（0.20g）和9度（3.地震作用单层工业厂房一般采用底部剪力法来计算地震作用力。计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构自重和各可变荷载组合值之和，各可变荷载的组合值系数，按下表采用： 建筑结构的地震影响系数根据设防烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。水平地震影响系数最大值见表5.1.4-1，特征周期见表5.1.4-2。建筑结构地震影响系数曲线见下图：单层工业厂房阻尼比取0.05。单层厂房的水平地震作用标准值，按下列公式确定：式中符号具体含义见《抗震》第5.2条。当设防烈度为8度、9度，厂房屋架（不是屋面梁）跨度大于24m，尚应考虑竖向地震作用。第二章单层工业厂房框架柱的设计一、一般要求1.框架柱的类型单层工业厂房框架柱按形式可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱。等截面柱：沿整个柱子高度截面不变的柱。一般截面高度小于1m，适用于无吊车或吊车起重量较小的厂房。阶形柱：沿柱高度截面变化的柱，通常采用的有单阶柱、双阶柱两种，在有吊车的工业厂房中使用广泛。下图所示：图2.1.1阶形柱（a）（b）（c）为单阶柱；（d）（e）为双阶柱分离式柱：由两独立柱肢，分别支撑屋面横梁和吊车梁，并由水平连接板沿两柱肢高将两者连成整体的柱，下图所示。因为它作为厂房框架刚度比阶形柱要小，用钢量大，所以一般只在厂房预留扩建、有低跨吊车及柱外设露天吊车柱时采用。图2.1.2分离式2.框架柱的截面形式框架柱的截面形式有两种：实腹式和格构式。实腹式柱截面形式见图2.1.3，格构式柱截面见图2.1.4。图2.1.3实腹式柱截面形式图2.1.4格构式柱截面形式柱截面形式的选择，应根据柱的高度及所承受的荷载和所需截面的大小，选择构造简单，便于制作和安装的形式。单层工业厂房下柱通常选用格构柱，见图2.1.4中的（b）（d）；上柱采用焊接工字型截面。当下柱截面高度小于等于1m时，可采用实腹柱，超过1m时，一般为格构柱。3.框架柱的截面大小框架柱的截面尺寸，应根据厂房高度、跨度、柱距、吊车、荷载等因素确定。另外，上柱需设置通行人孔时，一般应≥800mm，通常取900mm。对于工字型截面阶形柱，上柱截面高度可按上柱高度的1/7～1/11估计；下阶柱的双肢间距一般取1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m，柱肢截面高度可按柱全高的1/28～1/40估计。二、框架柱整体计算1.计算简图（1）框架柱平面内几何长度、平面外计算长度的确定当屋面横梁为铰接屋架时，对上承式屋架，上柱顶取在屋架上弦标高处；对下承式屋架，上柱顶取在屋架下弦标高处。当屋面横梁为刚接工字型截面时，上柱顶取屋面梁上翼缘标高处。单层厂房框架柱在平面外的计算长度，应取阻止其平面外位移的侧向支撑点之间的距离。对上柱，取吊车梁顶面至柱顶纵向支撑点间距，当有托梁（架）时，为吊车梁顶到托梁（架）下边缘的距离；对中柱，取下层吊车梁顶面到上部肩梁顶面之间的距离；对下柱，取基础顶面到下阶柱肩梁顶面的距离。建立计算模型时，取构件的截面形心线，从基础顶面算起，下图示意。图2.2.1框（2）荷载布置简图图2.2.22.框架sts计算中一些问题（1）结构建模杆件作为柱子和梁输入时，其内力计算结果是一样的。应力验算时，区别在于：当作为柱输入时，按压弯构件作强度和稳定性计算，强度验算时验算两端截面；当作为梁输入时，按纯弯构件作正应力、剪应力和挠度计算，分别验算跨中13个截面。框架柱的偏心指的是柱子形心相对于轴线的偏心，柱、梁布置未设置偏心的情况下，柱形心与轴线重合，梁顶面与梁轴线重合。框架柱、屋面横梁的平面外计算长度，sts默认为杆件节点间的距离，平面外计算长度应为平面外有效支撑点间的距离，通常需要根据平面外支撑布置的情况作修改。例如，上阶柱平面外计算长度应由建模的实际长度减去吊车梁高，有托（梁）架时，还需减去托（梁）架的高度；屋面梁取檩距（≥12m柱距的屋面檩条一般与屋面支撑相连）作为平面外计算长度。（2）荷载输入荷载正负的规定：无论左风、右风、吸力、压力，水平荷载向右为正，竖向荷载向下为正，顺时针方向的弯矩为正，反之为负。柱间偏心集中力荷载输入时，见图2.2.3；其中，偏心值EX，注意是相对作用柱段的形心的偏心值。例如，在图2.2.4中，A列F1或F2作为下柱的柱间偏心集中荷载输入时，x=13500,EX=750或-750；B列F3作为下柱的柱间偏心集中荷载输入时，x=8000,EX=1250或-1250（左偏为正，右偏为负）。另外，A列的F1注意应作为下柱荷载输入。因为下柱外柱肢上伸至吊车梁顶面，F1荷载可由该柱肢直接传递向下，若F1作为上柱荷载输入，将对上柱产生偏心，导致上柱应力增大，也不符合实际做法。图2.2.3柱间偏心荷载输入图2.2.4柱子偏心荷载建模示意图吊车荷载输入时，吊车对柱子产生的最大最小轮压值，可以通过影响线手算得到，也可以由程序通过输入的吊车资料自动计算得到。下图2.2.5中，吊车桥架重量用于地震作用计算时的集中质点质量，按额定起重量最大的一台吊车来取，对于硬钩吊车，吊车桥架重中会由程序自动增加0.3倍的起重量（仅在sts由吊车资料导入轮压时）。另外，要注意吊车竖向轮压荷载偏心距为对下柱形心的偏心，而不是对轴线的偏心。另外，对单层钢结构厂房，吊车桥架引起的地震作用效应增大系数取1.0。图2.2.5吊车荷载输入对话框一般吊车荷载的输入，都是以成对的形式，即左侧产生的最大（小）轮压值等于右侧产生的最大（小）轮压值。对于抽柱框架计算时，抽柱一侧的最大（小）轮压要大于没有抽柱一侧的最大（小）轮压，若按一般吊车荷载输入，没有抽柱一侧的轮压即等同于抽柱一侧的轮压，不符合实际情况。Sts中，提供了抽柱框架吊车荷载的输入，见图2.2.6，这里要注意的是，上方5行中的每一行3个数据都依次表示第一、第二、第三个节点处的吊车荷载，顺序不能搞混图2.2.6抽柱排架吊车荷载输入吊车对框架产生的最大、最小轮压及横向水平刹车力一般输入吊车资料由sts自动导入，这里需要注意的是，框架柱的强度、稳定性和轨面变位刚度控制，都是由得到的导入荷载计算，而根据《钢规》附A的第A.2.2条，对于设有A7、A8级吊车的冶金厂房排架柱和设有中、重级吊车的露天栈桥柱在吊车梁顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载（按荷载规范取值）来控制水平变位。但是，sts不会自动区分导入的吊车水平力是1台还是2台产生的，也不会自动选取最大的一台吊车来计算水平变位。因此，当框架按2台吊车输入时，若需要控制吊车梁顶面位移，则需要单独建立一个模型，按一台最大吊车输入。互斥荷载问题。所谓互斥荷载，就是指不可能同时发生的荷载。首先，点[活载输入]进入活荷载输入菜单，见图2.2.7，这里输入的节点、柱间、梁间活荷载均为相容荷载，它们将与后面输入的所有组的互斥荷载分别组合。然后，在当前菜单点[互斥荷载]，进入互斥荷载输入菜单，添加互斥荷载组，这些互斥荷载之间将不同时作用。这一功能，在单层厂房计算中，常用于屋面桁架上作用有检修葫芦（为移动荷载）的情况下。图2.2.7活载输入菜单附加重量问题。在补充数据菜单，要求输入附加重量。对于没有地震荷载计算时，附加重量对结构不产生影响；而在有地震荷载作用时，当需要考虑这部分重量产生的地震作用力，输入附加重量到某一质点上，程序将自动计算出这部分重量所产生的地震力，作用于结构进行计算。（3）分析与设计参数定义点击[参数输入]，进入参数输入与修改菜单（图2.2.8）。其中，“多台吊车组合时的吊车荷载折减系数”输入框中“两台吊车组合”是指：对一跨计算时，所考虑的吊车组合情况。“四台吊车组合”是指：对多跨同时计算时，考虑的吊车组合情况。比如，当一跨1台吊车时，均输入“1”；当一跨2台吊车时，均输入2台的折减系数；当有2跨、每跨有2台，“两台吊车组合”框输入2台的折减系数，“四台吊车组合”框输入4台的折减系数；当有2跨、每跨有1台，“两台吊车组合”框输入“1”，“四台吊车组合”框输入2台的折减系数；当有2跨，第1跨有1台，第2跨有2台，“两台吊车组合”框输入“1”（对第二跨偏安全），“图2.2.8结构类型参数输入对话框在图2.2.8中，单层厂房框架柱计算长度折减系数见《钢规》的表5.3.4。表5.3.4单层厂房阶形柱计算长度的折减系数（对于轻钢屋面）厂房类型折减系数单跨或多跨纵向温度区段内一个柱列的柱子数厂房两侧是否有通长的屋盖纵向水平支撑单跨等于或少于6个—0.9多于6个无纵向水平支撑有纵向水平支撑0.8多跨—无纵向水平支撑有纵向水平支撑0.7总信息参数输入见图2.2.9，说明如下：（a）自重放大系数。该项只在钢构件自重荷载计算时考虑，用钢量计算时没有计入放大系数；（b）侧移和无侧移。《钢规》在附录D的D-1表为“无侧移框架柱的计算长度系数”，D-2表为“有侧移框架柱的计算长度系数”，这两个表是通过梁柱的线刚度比来计算柱的平面内计算长度系数。此处菜单中，“有侧移、无侧移”仅与计算柱平面内的计算长度系数有关，并不是说框架是否有无侧移，实际上任何框架都存在侧移，只是侧移值大小的问题。《钢规》在第5.3.3条指出，无支撑框架，即纯框架按有侧移采用表D-2确定平面内计算长度系数；有支撑框架，分为强支撑和弱支撑框架两类，其中强支撑框架按无侧移采用D-1确定平面内计算长度系数。一般来说，设有平面内支撑的支架柱或桁架（构件铰接连接），计算长度取节点间距离，同表D-1中“K1=0，K2=0，取系数1.0”情况相符。（c）净截面和毛界面的比值。该参数仅对sts强度计算时发生影响，强度计算时要考虑该项净截面系数，对稳定验算没有影响。要注意的是，若该值取得较小，例如0.85等，计算结果就会出现强度计算值小于稳定性计算值的情况。（d）梁柱自重是否需要sts自动考虑，可以由“梁柱自重计算信息”选择。图2.2.9总信息参数输入对话框地震计算参数输入见图2.2.10，说明如下：（a）地震作用计算单层厂房钢结构框架柱一般考虑水平地震作用，竖向地震作用不考虑，该条说明详见第一章的地震荷载。（b）抗震等级对钢结构来说，没有抗震等级的说法，仅有抗震和不抗震的区分；抗震等级是指砼构件而言。（c）计算振型个数对单层工业厂房来说，柱顶屋面横梁连续时，柱顶总共考虑1个振型。当屋面横梁不连续，存在高低跨屋面时，需相应增加振型个数。框架上柱与下柱的节点作为一个振型个数。例如，对于屋面梁连续，2跨，每跨吊车轨面相等，则振型个数统计为4个。另外，当框架模型里有纵向天窗架时，天窗架为1个质点。（d）地震烈度单层钢结构厂房为丙类抗震设防类型，地震作用和抗震措施一般与本地区的抗震烈度相同。但是，对于Ⅰ类场地，抗震构造措施可以取降低一度；对于Ⅲ、Ⅳ类场地，加速度为0.15g、0.3g地区，宜分别按8度、9度采取抗震构造措施。（e）周期折减系数和地震作用力效应增大系数周期折减是指由sts得到的结构基本自振周期，在考虑材料延性、纵墙及屋架（面）与柱连接的固接作用，而对横向框架周期进行的折减。一般钢结构单层厂房取0.8。图2.2.10地震计算输入对话框地震作用力效应增大系数指结构估计水平地震作用扭转影响时，对地震力所乘以的增大系数。一般情况下，横向框架计算可按1.15采用。楔形变截面工字形梁的稳定性计算，《钢规》没有提供验算公式，可以按《门规》来验算校核。在“参数输入与修改”对话框中，可以对构件单独设定所需验算规范。例如，结构整体计算时采用的规范是《钢规》，可以对楔形变截面梁单独采用《门规》进行验算，见图2.2.11。图2.2.11构件单独设定验算规范图示（4）结果输出构件输出的内力正负号与方向关系如下（图示内力方向均为正）：杆件内力输出时，弯矩、剪力、轴力的符号规定遵循右手坐标，即：弯矩M以逆时针方向为正；剪力V以和Y轴同向为正；轴力N以和X轴同向为正。计算后，应查看“超限信息”，见图2.2.12，确认是否有不满足规范的地方，以便及时调整。图2.2.12超限信息输出图示在图2.2.12中，“配筋包络和钢结构应力比图”中只是简要输出了构件的验算结果，还有些内容没有示出，如梁、柱腹板的局部，格构式柱的单肢验算，缀条（板）验算等。这些要从构件的计算结果中查看。在sts输出的构件计算结果里,荷载组合中包含地震荷载的组合号是： Sts输出包含地震作用的荷载组合项号对象组合分类无吊车时有吊车时备注柱子基本组合第49～56项第141～164项屋面梁基本组合第27～30项第85～92项梁两端M最大时的第53～56项梁跨中M最大时，在梁端M的组合号基础标准组合第23～26项第69～80项另外，需要注意的是，框架柱柱底对基础的反力作用位置为下柱的形心，当下柱形心与轴线不重合时，若砼专业按基础反力中心在轴线上来设计基础，存在不安全隐患，所以，当出现该情况时，要和和砼专业交代清楚。3.框架结构的刚度限值单层工业厂房框架结构在风荷载作用下，柱顶的水平位移不宜超过《钢规》附A.2.1对冶金工厂或类似车间有A7、A8级吊车的厂房柱和设有中、重级吊车的露天栈桥柱，在吊车梁顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载（按荷载规范取值）所产生的计算变形值，不宜超过《钢规》附表A.2.2的规定。在地震荷载作用下，对多、高层钢结构的层间位移应满足1/300的要求。（《抗震》表5.5.1）4.抽柱计算单层工业厂房中，由于工艺布置的要求，往往需要局部抽柱，抽柱框架计算经常遇到。传统的抽柱框架计算，前提是屋面刚度无穷大，比如砼大型屋面板，可以认为屋面就像一个刚性盘体，抽柱处框架（称为次框架）和紧邻未抽柱框架（称为主框架）柱顶侧移完全一样，它们一起共同承担横向水平力并按各自横向刚度进行分配。典型抽柱的柱网平面和排架简图见图2.2.1图2.2.13柱网平面和排架简图图2.2.13的右图中，A、B、C列为6线主框架，A1列为5、7线在A列处的折算对竖向荷载，以实际荷载情况加入。对风荷载说，A1、A、C、C1柱列的风荷载一样，均为一个柱距的风载。对吊车荷载说，以A-B跨为例，当最大轮压在A列时，6线的A列根据影响线得到最大支座反力RAmax，在此吊车轮压布置下，A列5、7线处支座反力和的平均值作为A1列的最大支座反力RA1max，而此时，B列得到最小支座反力RBmax；当最大轮压在B列时，6线的B列根据影响线得到最大支座反力RBmax，在此吊车轮压布置下，A列5、7线处支座反力和的平均值作为A1列的最小支座反力RA1min，而此时，6线的A列得到最小支座反力RAmin。因此，在A-B跨抽柱吊车荷载输入时，图2.2.6“抽柱排架吊车荷载输入”对话框中：最大轮压在左，吊车竖向荷载应填写为：RA1maxRAmaxRBmin最大轮压在右，吊车竖向荷载应填写为：RA1minRAminRBmax图2.2.14抽柱框架的吊车荷载说明图示在如今的单层工业厂房中，屋面压型钢板与檩条采用柔性连接固定，屋面纵向水平支撑作为杆件组成的受力构件，总会有横向变位，这样的屋盖系统就不如砼大型屋面板那样为一刚性盘体达到刚度无限的效果。因此，纵向水平支撑、屋面板蒙皮效应等空间作用只能把“部分”次框架的柱顶内力传于主框架，而传统的抽柱计算是将次框架柱顶通过系杆直接支撑在主框架上，使次框架柱顶内力“完全”直接传于主框架。显然，对于主框架计算来说，这样的计算结果是偏于安全。对次框架柱截面，通常取主框架相应柱列的截面，例如图2.2.13中，A列5线、7线柱截面通常取A列6线柱。但是，实际的屋面不是刚度无穷大，次框架柱顶处纵向水平撑变位使得其侧移值大于主框架侧移值。因此，若主框架柱顶风载变位、吊车轨面变位刚好满足要求，由于水平支撑的变形会而使得次框架柱刚度达不到要求。所以，从偏于安全上考虑，应将主框架在风载、吊车横向刹车力作用下的刚度一般来说，忽略蒙皮效应，次框架柱的承载力和刚度需要依靠屋面纵向水平支撑来保证。如果考虑纵向水平撑的刚度不是无穷大，次框架的验算与纵向水平撑设计可以采取以下步骤（思路图示2.2.15）：（1）主框架施加荷载计算时，控制在风载、吊车（对A7、A8而言，仅考虑一台）横向刹车力作用下的刚度，并留有一定富裕，富裕量分别为f1、f2。（2）在一个sts文件里，建立两个同样的次框架计算模型，在柱顶各自增设一水平弹性支座，用来模拟屋面纵向水平撑的刚度。该弹性支座可以采用一铰接的圆钢支撑来实现，通过调整圆钢的长度和直径可以模拟纵向水平撑的不同刚度大小。（3）在其中一个模型上施加风载，另一个模型施加吊车荷载（取最大一台吊车），通过调整圆钢的长度和直径，使得次框架最终侧移值分别刚好达到《钢规》对风载、有A7、A8吊车厂房横向刚度要求的允许值。此时，可以从结果文件里查看次框架柱的截面承载力是否满足要求（一般情况下都应满足），如不满足，增大柱断面直至满足为止。然后，分别得到圆钢支撑的内力标准值N1（对应风载）、N2（对应吊车荷载）。（4）屋面纵向水平支撑可以看作一竖向桁架，在sts里建立计算模型，把N1作为竖向活载作用在相对于次框架的位置处，该点的允许变形为f1，计算时忽略桁架自重，从而得到纵向水平支撑断面；同样由N2及控制变位f2也得到一断面。最后，取二者的最大值作为纵向水平支撑的截面。屋面纵向水平支撑的选取，对于屋面梁连续、抽柱处为摇摆柱情况，可取所有跨的屋面纵向水平支撑；对于屋架支承在托架上的情况，考虑到托架的跨中侧向变形不宜过大（屋架弦杆在轴压力作用下产生压缩变形），偏于安全，对左风或右风取次框架左边（或右边）不超过3跨的屋面纵向水平支撑。实际上，在一端主框架上（图2.2.13的4线）产生最大吊车水平反力的同时，另一端主框架（图2.2.13的6线）及中间的次框架（图2.2.13的5线）都没有达到最大吊车水平反力，也就是说，所有的主、次框架的吊车水平力最大变位不会像风载作用那样同时发生。显然上述（1）—（4）的方法对在吊车水平力下支撑刚度验算是不准确的、或偏于安全的。为了准确验算抽柱排架在吊车水平力作用下的刚度，只有采用三维空间建模的方法。一般来说，对于类似厚板轧钢车间等单层厂房，由于跨数较多，每一跨内设有2个大于3m高的屋面纵向水平支撑，累积加起来的纵向支撑高度很大，吊车水平作用下的刚度一般均满足要求。但是，当为单跨或仅两跨，轨面较高，吊车吨位较大，或硬钩吊车时，抽柱处的屋面纵向水平支撑在吊车水平力作用下的刚度应进行验算。对于屋面纵向水平支撑的强度验算，实际上，次框架在竖向荷载、风载、吊车荷载或地震等荷载作用下会产生对屋面纵向水平支撑的作用力，它大于仅有风载或水平吊车产生的作用力。因此，若忽略主框架的变形，在次框架柱顶设置圆钢水平支座建立模型，在竖向、水平荷载作用下当此框架的水平刚度满足规范要求时查出圆钢支座反力值，将这些反力值作用到纵向支撑上，即对纵向支撑进行强度验算。纵向水平支撑的弦杆取檩条断面，计算假定檩条连续，实际中檩条靠支撑在屋面梁（或屋架）顶的焊缝（包括抗扭支座板焊缝）相互连接，由于在纵向水平支撑的跨中弦杆内力最大，因此，在抽柱较多、风载或吊车荷载较大的情况下，需要验算该处檩条的支座焊缝的安全性。图2.2.15屋盖非刚度无穷大下次排架及纵向水平撑设计思路图示对于图2.2.13典型抽柱框架，当屋面为屋架时，可以假定柱顶一刚性压杆，将次框架柱通过“折算”与主框架柱进行平面建模计算；当屋面为工字型梁时，由于梁柱刚接，需要设计次框架屋面梁断面，可以把主框架与一个次框架整体通过柱顶压杆相连，作为平面建模计算。这里，对后者的计算比较繁琐，尤其当抽柱较多、较乱、梅花抽柱等情况下，建立的主框架计算模型庞大、繁琐；实际中，也可以采取偏于安全的简化计算方法，见图2.2.16，图中柱距均为抽柱柱网平面图传统思路的抽柱主框架计算模型抽柱主、次框架简化计算模型图2.2.16抽柱框架简化设计举例图示对3线主框架的计算：（1）仅由3线的A、B、C、D排架柱建立主框架计算模型；（2）屋面、柱子的竖向荷载，包括抽柱吊车荷载，按实际情况输入；（3）由于紧邻的2、4、5线抽柱较多，横向刚度较差，偏安全将其上承受的风载直接作用于3线框架；（4）计算3线框架结构是否满足要求。可见，这种简化计算对于主框架3线来说偏于安全。对4线（或2、5线）次框架的计算：（1）4线（或2、5线）A、D列柱取3线相应柱列的截面，建立次框架计算模型，若B、C列采用托梁，建模时，可以假设“虚柱”代替其竖向变形值及竖向支承作用；（2）屋面、柱子竖向荷载（包括吊车荷载）按实际情况输入，风载可取其受荷宽度12m进行计算；（3）应考虑支承在吊车梁上的摇摆柱的支座沉降对次排架内力增加的影响，可以在STS里通过设置圆钢支座变形值等于吊车梁竖向变形值进行模拟计算。（4）考虑屋面纵向水平撑对4线（或2、5线）次排架弹性支撑作用，采用上图2.2.15的思路对次框架柱断面进行验算和纵向水平撑的设计。三、框架柱、梁腹板的局部稳定的问题处理梁、柱腹板的局部稳定，一种方法是以板的屈曲为承载能力极限状态，通过限制板的宽厚比，使之不在构件整体失效前屈曲；第二种是允许板在整体失效前屈曲，并利用其屈曲后强度（注：柱子腹板按有效截面验算局稳，原因就是利用了屈曲后的承载力增长，即屈曲后强度），构件的承载能力由屈曲后的有效截面确定。下面，分别讨论排架柱、梁的腹板局部稳定问题。1.框架柱腹板的局部稳定问题《钢规》中关于柱子腹板局部稳定的规定如下：《抗震》中关于柱子、梁腹板局部稳定的规定如下：柱子采用《钢规》验算腹板局部稳定时，首先判断是否满足第5.4.2条，若不满足该条，在满足《抗震》表9.2.12条情况下，可以按照《钢规》第5.4.6条取有效截面验算柱子的强度和稳定性，若强度和稳定性均满足要求，则认为柱子的腹板局部稳定满足要求。因此，对于抗震设防烈度6度，不需要进行抗震作用力计算时，可以按照《钢规》第5.4.6条取有效截面验算腹板的局部稳定。对于抗震设防烈度为7度～9度的情况下，经常会遇到不满足《抗震》表9.2.12条规定的情况，而需要将柱子的腹板加厚。对这个问题，与审查中心王书增进行了讨论，他的观点是：表9.2.12作为抗震构造要求，属于抗震措施内容，为一般性规范条文，非强制性条文，对于规范的“强条”必须完全执行，而对于一般性条文，设计单位可执行也可不执行，作为设计审查单位一般不会以不执行一般条文为理由而不予通过。对于一般的单层工业厂房来说，我们来简单分析一下地震力作用力的大小。单层工业厂房的屋面采用压型钢板或夹心板，自重较轻，产生的地震作用力较小。例如，跨度36m、柱距18m，屋面全部自重考虑1.0kN/㎡，抗震设防烈度7度，一般地震影响系数取最大值为0.08，得到屋面最大水平地震作用力为36×18×1×0.08=51.84kN。它和重力代表值等组合得到的地震荷载组合效应（即恒载+0.5活载+0.5吊）的结果与屋面荷载、吊车荷载、风载组合效应比较起来，往往要小（对上柱），对下柱更是小得多，不起控制作用。同时，sts对《抗震》表9.2.12的观点是：当框架柱的控制组合为不包含地震作用在内的荷载组合项时，可以不按表9.2.12控制腹板的高厚比，而取有效截面验算腹板的高厚比；反之，则以表9.2.12控制腹板的高厚比。在《抗震》的条文说明中，对表9.2.12的解释是“本条参考了冶金部门的设计规定，它来自试算和工程经验分析”。因此，表9.2.12作为一种抗震措施的经验值，并不是必须丝毫不能超过。实际上，在国内的钢结构设计和学术方面对表9.2.12的反对呼声很高，比如浙大的童树根教授在《钢结构设计方法》（建工出版社，2007年）中认为：抗震应该基于延性设计，按照我国抗震规范的地震力理论，宽厚比限制不应与设防烈度发生关系。综合上述分析，在进行设计时，尤其当需要设计优化时，可以结合审查中心和sts的观点来对待《抗震》表9.2.12的规定。2.屋面梁腹板的局部稳定问题《钢规》中关于梁腹板局部稳定的规定如下：根据以上第“2”项，可知当腹板的高厚比在80～170间时，应设置横加劲，并应计算横加劲的间距或腹板的局部稳定；当高厚比大于170时，在配置横加劲的同时应增加纵加劲的配置，并要计算保证局部稳定。《钢规》的第4.3.1条规定“承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板的屈曲后强度”，对直接承受动力荷载的梁不考虑屈曲后强度。但是，在本条中，“在轻、中级吊车梁计算腹板的稳定性时，吊车轮压设计值可以乘以折减系数0.9”，这也是适当考虑腹板屈曲后强度的有利影响。在验算梁腹板的局部稳定时，首先看是否满足高厚比80的要求，若超过80，需要设置横加劲，并满足计算要求。若要利用屈曲后强度，希望进一步减薄腹板厚度，则要看是否满足《抗震》表9.2.12的构造规定。值得注意的是，梁腹板高厚比允许值仅与设防烈度、钢材材质、纵加劲（减小腹板高度）有关，与是否设置横加劲或横加劲间距无关。若抗震设防烈度6度，则不受表9.2.12的限制，可考虑屈曲后强度；若设防烈度7度～9度，在满足表9.2.12的条件下，才能考虑屈曲后强度。8度～9度时，表9.2.12一般较《钢规》要严格，在满足表9.2.12时，腹板厚度就已经确定了，且相对较厚，即使再考虑屈曲后强度也没有实际意义了。优化设计时，即使在地震区，有时也希望降低腹板厚度，节省用钢量，是否也可以在一定的情况下（比如由非地震组合控制时）不执行表9.2.12的规定呢？非地震组合控制的情况是经常还是较少出现？这里，需要分析一下：对单层工业厂房来说，水平地震力对屋面梁的影响。下面以厚板车间的一个典型框架（屋面为板梁、刚接）——共3跨，跨度分别为39m、36m、36m，柱距12m，轨面11m，吊车起重量25+25t，抗震设防7度，加速度0.15g，Ⅱ类场地，屋面自重（不包括屋面梁）0.65kN/㎡，屋面均活0.65kN/㎡（并按0.5组合系数参与地震组合）——在sts里建立计算模型。图2.3.1中仅示出左第一跨的屋面梁弯矩屋面梁的内力汇总：（1）1.2[恒+0.5（活+吊车）]+1.3地震左（地震组合）梁端控制内力M=2876kN·mN=93kNV=407kN梁端仅由地震产生的最大弯矩M=190kN·m（2）1.2恒+1.4（活+0.7吊+0.6风）（非地震组合）梁端控制内力M=3731kN·mN=173kNV=534kN梁跨中控制内力M=2250kN·mV=428kN图2.3.1非地震组合和仅有左地震的弯矩包络图图中可以看到，地震水平力对屋面梁的作用主要集中在梁端，而对跨中的影响逐渐减小，近乎于零；对于平台的简支梁来说，因为没有支座弯矩，地震力对其只产生轴力而不存在弯矩。对此，sts认为：当梁由跨中弯矩控制时，可以不考虑地震组合，梁腹板按屈曲后强度验算局部稳定。实际上，对于单层工业厂房，屋面较轻，水平地震力作用较小，图2.3.1示例中仅地震产生的梁端弯矩为地震组合总弯矩的6.6％。因此，若认为《抗震规范》仅对存在地震力的结构起作用的话，当梁断面由梁端内力控制时，sts的观点是：在含有地震荷载的地震组合项控制时，不考虑屈曲后强度；反之，则可以考虑腹板的屈曲后强度。另外，对于梁端常用的楔形工字型截面，根据《门规》6.1.1条，对变截面楔形梁的腹板考虑屈曲后强度采用的计算公式，仅适用于梁截面高度变化△H/L≤60mm/m的情况。实际上，目前采用的考虑屈曲后强度计算方法都源于等截面杆件中的板件分析，即矩形板分析，在楔形杆件情况下，实际面临的是梯形板件的局部稳定问题，目前对此的深入研究还不充分。第三章框架柱的局部设计一、柱人孔设计1.上阶柱人孔设计上阶柱人孔构造和计算简图见图3.1.1，计算时，一般将人孔两侧的分肢视为单向压弯构件，计算每个分肢的强度和框架平面外的稳定性。这里，分肢的计算长度取2m。图3.1.1上柱人孔构造及计算简图首先，人孔一个分肢的轴力N1、剪力V1、弯矩Mx1按下式计算：其次，根据轴力N1和弯矩Mx1，按压弯构件验算分肢的稳定性。2.下阶柱人孔设计下阶柱人孔构造和计算简图见图3.1.2，柱肢的强度、稳定性计算参见上柱人孔计算。横梁的强度计算公式如下：横梁的内力M＝Mx1×L/y0Vb＝V1×H/y0有了弯矩M和剪力Vb，则根据《钢规》公式4.1.1和4.1.2分别计算抗弯和抗剪强度。图3.1.2下柱人孔构造格构柱柱肢的应力由格构柱承受的弯矩、轴力分配作用后得到，剪力对人孔处柱肢会产生增加的应力。因此，需要将二者进行叠加，以保证人孔处柱肢的强度、稳定性满足要求。另外，还需验算下柱人孔的刚度。为了简化验算，可以通过保证下柱框架人孔的节间刚度优于缀条的节间刚度来控制，支架顶水平力可取格构柱剪力或取假想值。这里，在sts建模，图3.1.3所示。人孔的柱肢和横梁按实际断面输入，格构柱的斜、横缀条按照“用户定义截面”柱输入。“用户定义截面”柱要注意分别考虑2根横缀条、2根斜缀条的情况，即面积取缀条面积的2倍，惯性矩取缀条最小惯性矩的2倍。图3.1.3下柱框架人孔刚度验算模型格构柱分肢截面采用H500×250×16×16,斜缀条截面T125×125×6×9，人孔上下横梁截面H350×250×12×18（材质均为Q345），人孔断面如下图：施加水平作用力标准值F=250KN，得到图3.1.3的节点位移及应力比如下：二、肩梁设计排架柱的上、下阶柱之间，比如实腹式上柱与格构式下柱之间，需要设置一个“承上启下”的转换构件，将上柱的弯矩、轴力和剪力传递到格构下柱的双肢柱上，这个转换构件称为肩梁。肩梁按构造形式可分为单腹板和双腹板两种，一般多采用单腹板形式。肩梁由肩梁腹板、上下肩梁盖板、肩梁腹板局部加厚、吊车肢腹板局部加厚、上盖板局部加厚等各部分组成，见图3.2.1。下面，就单腹板肩梁的强度验算、刚度要求、连接计算及局部构造作说明。图3.2.1肩梁局部构造示意1．强度验算（1）作用在肩梁上的作用力P1、P2，按下式计算：式中，N，MX肩梁以上截面最不利组合的轴心力和弯矩；h1上段柱两翼缘板中心间的距离；h2肩梁跨度，取下格构柱两柱肢中心间的距离；（2）由肩梁上的P1，P2得到肩梁的内力M和V。（3）肩梁的强度计算公式图3.2.肩梁的强度验算说明：a.当肩梁下面的下段柱为实腹式柱时，可不必对肩梁腹板作强度计算，见图3.2.3，取下段图3.2.3下柱为实腹时的肩梁腹板不需验算强度注：这里所谓“肩梁”仅是传递吊车梁压力，并没有“承上启下”的作用b.肩梁的抗弯强度设计时，根据《建筑钢结构设计手册》（赵熙元，上册）第413页说明，可以考虑上下盖板的作用，当上下盖板截面有改变时，取其中较小值；根据《钢结构设计手册》（汪一骏，上册）第490页，对正应力计算公式中W的解释为“腹板”净截面模量，即仅考虑腹板的作用。这里，认为肩梁上盖板与上柱翼缘等强剖口焊接，肩梁下盖板全柱肢宽连通设置，可以考虑上下盖板的作用。c.肩梁的高跨比一般为0.4～0.6，属于深梁范畴。曾有文献通过对钢管砼柱的肩梁的加载试验和弹塑性有限元分析，结论是：具有深梁特征的肩梁，沿截面高度的正应力分布并非直线，建议正应力计算中乘以系数“K”，K为1.0～1.4。d.上式中，弯矩M和剪力V可以由P1和P2计算得到。计算肩梁腹板局部加厚时，不仅要考虑上柱传来的内力，也要考虑吊车梁的压力。对于凸缘支座的吊车梁来说，V=RB（A）+1.2Rmax2 e.对于肩梁的抗弯强度验算，也可以直接将上柱的M、N作用于简支梁，用sts的简支梁计算工具验算，对结果乘以系数“k”即可（注：因为设计手册上一般没有K，所以，是否需考虑K，或考虑值为多大，可以进一步探讨）。2．肩梁的刚度问题一般肩梁计算不验算刚度，实际上，对肩梁的刚度是有要求的。因为，上柱内力不仅会引起肩梁的实际挠曲变形，也会导致肩梁中部有一定的转动，这个转动作用会引起上柱侧移变形的增大，对结构是不利的。而sts在计算时是假定肩梁为无限刚度。若要求上柱因肩梁转动引起的附加变形不超过肩梁作为无限刚度时上柱变形的10%，可以得到肩梁的最小刚度的计算公式。上段文见《钢结构学》（沈祖炎，建工出版社，2005年）的“重型厂房钢结构设计中的若干理论问题”一章，它引自《多肢柱肩梁刚度分析》（沈祖炎、郑沂，建筑结构，1999年）。总的来说，对于肩梁刚度的研究资料，现在了解的还不是很多，各种设计手册也没有刚度验算内容。在实际应用中，对于一般的单层工业厂房，当满足肩梁高度的构造要求时，可不考虑刚度问题。3．连接和局部计算（1）肩梁下吊车肢腹板抗剪验算对于凸缘支座的吊车梁来说，支座加劲板荷载先由肩梁腹板承受，肩梁腹板一般通过2条剖口焊缝将压力传递到吊车肢腹板上，然后传递到全部柱肢，最后传到基础，见图3.2.4。这里，需要验算吊车肢腹板的抗剪强度，根据吊车梁端加劲板反力的大小，需要增大吊车肢腹板的厚度或增加肩梁的高度，在有些情况下，吊车肢腹板的抗剪验算决定了肩梁的高度，需引起重视。图3.2.4吊车肢肩梁顶局部示意验算公式τ=R上柱内力传来的支座反力；Rmax两侧吊车梁端加劲板的最大反力；hw肩梁腹板高度；tw吊车肢腹板，需要的话，需局部加厚（2）吊车肢顶局部承压验算见上图3.2.3，吊车肢顶端面承压强度验算公式：σ=R吊车梁支座反力；A吊车肢顶的承压面积这里，通过验算端面局部承压，可以对肩梁上盖板局部加厚、肩梁腹板局部加厚、吊车肢腹板局部加厚作进一步的验算和设计。对此解释见图3.2.5中的（a）：这是吊车梁端加劲板支承在一个竖向放置的支座板上的情况。由于吊车梁端加劲板有很大的抗剪强度和抗剪刚度，不会发生剪切破坏，若其端面局部承压，端加劲板和支座板的抗剪、抗压承载力满足要求——即可认为支座安全。基于——吊车梁端加劲板具有很大的抗剪强度和抗剪刚度、不会发生剪切破坏——这一思路，通过验算局部承压，来设计和验算肩梁上盖板局部加厚、肩梁腹板局部加厚及吊车肢腹板局部加厚。实际上，肩梁上盖板局部加厚，就是起垫板的作用，而肩梁腹板局部加厚、吊车肢腹板局部加厚也起到了扩大承压面的作用局部承压需要验算两个方面：（1）单侧吊车梁端加劲板下的局部承压（图b）；（2）双侧吊车梁端加劲板共同作用下的局部承压（图c）。验算时，承压面取端加劲板向四周按45度扩散后的面积，即每边放大值为肩梁上盖板厚度，但对（c）不考虑两端加劲板重叠增加的承压面积。（b）（c）图3.2.5三、柱脚设计1.柱脚的类型柱脚按承受弯矩与否，分为刚接柱脚和铰接柱脚两大类。刚接柱脚就其构造形式可分为三种：露出式柱脚、埋入式或插入式柱脚以及外包式柱脚。若按柱脚的结构形式则可分为整体式柱脚和分离式柱脚。见下图3.3.1。图3.3.1柱脚类型加劲肋式刚接柱脚一般用于轻钢或柱脚弯矩相对较小的固接柱脚中，对于重型车间或柱脚承受弯矩很大的固接柱脚，为了提高柱脚的刚度，一般需采用靴梁、梁式刚接柱脚。对于锚栓分离式柱脚，需要注意锚栓不要高过出地面。埋入式柱脚是在基础施工时，将钢柱直接埋入砼基础（如地下室墙、基础梁等）中,一般用于多、高层框架，固接效果很好。它主要是通过砼对钢柱翼缘的承压力所产生的抵抗矩承受弯矩，栓钉的传力机制并不明显，为了保证柱脚的整体性，一般仍设置栓钉。外包式柱脚是将柱置于砼基础上，在砼基础顶伸出钢筋，在钢柱四周外包一截砼而成，一般用于多、高层框架。它的弯矩和剪力全部由外包钢筋砼承受，通过箍筋传给外包砼及其中的主筋，再传给基础，轴力通过柱底板承受。与埋入式柱脚不同，栓钉起重要的传力作用。插入式柱脚是将钢柱直接插入预留的砼基础杯口中，再用二次浇灌进行固定。它相对于埋入式、外包式来说，构造更为简单，在工种配合、进度安排方面有显著优点。在重型工业厂房中，它较靴梁柱脚的用钢量更为经济。但是，在轻钢中，广泛采用加劲肋式刚接柱脚，若采用插入式柱脚，用钢量较高，且柱子的按装就位也不是方便。所以，对一般的轻钢柱脚来说，不宜采用插入式柱脚。2．柱脚计算 柱脚的计算内容包括：钢柱底板面积设计、底板厚度、靴梁截面、锚栓及锚栓加劲肋。a.钢柱底板的宽度和长度计算底板宽度B一般按构造确定B=b0柱与底板连接部分的最大宽度；C边距，取20～50mm底板长度L根据下式计算：N、M使柱底一边产生最大压应力时柱最不利组合的内力fcβc砼强度设计值和局部承压提高系数，见《混凝土结构设计规范》对于分离式柱脚的底板，仅承受压力，按下式计算其底面积：b.底板厚度t按下式计算：M——底板的弯矩，可根据底板的支撑条件分别按四边支承板、三边支承板、直角边支承板、简支板和悬臂板计算得到的最大弯矩值。具体计算见《钢结构设计手册》（汪一骏，上册）第499页。c.靴梁的计算靴梁可以简化为双支点悬臂梁模型计算，见下图：图3.3.2验算靴梁的抗弯和抗剪强度时，一般只考虑靴梁本身而不考虑上顶板或底板的作用。计算公式如下：靴梁与柱的连接焊缝，取上述求得的靴梁支座反力或锚栓的拉力二者的最大值，计算焊缝的强度。有时，靴梁高度由焊缝长度控制，需要注意。d.锚栓计算第一种方法：假定柱脚为刚性，底板与砼基础顶面之间的应力分布为线性变化上式中，M、N为柱脚最大的轴力和弯矩；T为一侧锚栓承受的总拉力。本方法在《钢结构设计规范》TJ17-74中采用，但该规范又规定当计算的锚栓直径≥60mm时，宜考虑锚栓和砼基础的弹性性质。本方法应用得最为广泛。第二种方法：即考虑砼的弹性，把锚栓看作受拉钢筋，引入平面应变假定，即εsεα式中，ft为锚栓抗拉强度设计值，求解上式一元三次方程得到α，x=α*将得到的x值带入第一种方法的公式中，即得到T值。本方法得到的锚栓直径要小于第一种方法得到的直径。另外，根据《抗震》第9.2.13条，6、7度时的外露式刚接柱脚，锚栓的组合弯矩设计值应乘以增大系数1.2。计算锚栓时，应采用使其产生最大拉力的组合内力N和M，通常取轴力N偏小、弯矩M偏大一组。需要注意，由于此时恒载对锚栓的设计起有利作用，在STS计算时，设定恒荷载分项系数为1.0。e.柱底焊缝计算柱肢与底板的连接焊缝，当柱不采用刨平端传力时，应按柱传给基础的全部内力进行计算。当采用刨平端传递压力时，该连接焊缝应按柱底压力的15％，或最大水平剪力进行计算；当压弯柱出现受拉区时，该区的连接尚应按最大拉力计算（《钢规》7.6.6条）。f.锚栓抗剪问题《钢规》第8.4.13条规定，“柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力，此水平反力由底板与砼基础间的摩擦力（摩擦系数为0.4）或设抗剪键承受。”一般来说，由于基础顶面锚栓承压强度较低，对于有靴梁的柱脚（承受柱脚弯矩）不考虑锚栓抗剪；对于没有靴梁的锚栓，国外两方面的意见都有，国内亦有资料建议可适当考虑锚栓抗剪，因此GB50017-2003将GB17-88该条中的“不应”改为“不宜”。3.插入式柱脚设计插入式柱脚见图3.3.3，根据《钢规》第8.4.15条，钢柱插入杯口深度H不宜小于500mm，亦不宜小于吊装时钢柱长度的1/20。柱截面形式工形柱或箱型柱圆管柱双肢柱最小插入深度d1.5hC1.5dC0.5hC和1.5bC的较大值注：1.hC为实腹式工形柱或箱形柱的截面高度（长边尺寸）；dC为圆管外径；2.双肢柱的hC为双肢高度方向最外边的距离，bC为一个柱肢（H型钢）的高度； 3.钢柱底端至杯口一次面距离一般为50mm，当有柱底板时，可采用200mm。图3.3.3格构柱插杯口截面尺寸参数说明需要说明的是，规范该条是参照我们原土建三室的相关规定提出来的。对于钢结构双肢柱的插入深度，土建三室资料中原取（1/3～1/2）hc；对砼取（1/3～2/3）hc，当柱安装时采用缆绳固定时采用1/3hc。最后，出于安全考虑，《钢规》第8.4.15条将最小插入深度改为0.5hc。另外，《抗震》第9.2.13规定，实腹式钢柱采用插入式柱脚的埋入深度，不得小于钢柱截面高度的2倍，同时满足下式要求：工字型截面实腹柱一般不设底板，这样施工较方便。箱形、管形及格构柱宜设底板，可减少柱子的埋入深度。a.工字型截面实腹柱插入式柱脚计算对于轴力N,仅考虑由粘结力传递，按下式验算:N≤其中，fcz偏安全取μH钢柱插入杯口深度，见图3.3.1对于弯矩M,考虑由柱子翼缘与砼之间传递，按下式验算:M≤fcb1H钢柱插入杯口深度，见图3.3.1一般情况下，不考虑柱底剪力V的影响，但当柱底剪力V特别大时，应考虑剪力V与弯矩M的共同作用，则上面弯矩验算公式中的M和fc 由下式M1和f1M1＝M+0.5×V×Hf1=fb.格构柱插入式柱脚计算首先，格构柱按N和弯矩M分配到两个分肢上，分别得到受压肢和受拉肢的轴力，然后再由轴力验算插杯口深度。受压肢杯口按下式计算：当仅考虑由柱底局部承压承受时，N≤1.5βfcβ局部承压提高系数A柱底板面积当不满足上式时，也可以考虑由承压力和粘结力共同承担，见下式N≤1.5βfcA+L受压柱肢底板的周长此外，砼专业还需验算破坏椎体的冲切强度，此处略。受拉柱肢杯口按下式计算（仅考虑粘结力）：N≤4.柱脚构造为提高柱脚底板的刚度和减小底板的厚度，应采用增加加劲肋和锚栓支承托座等措施。对刚接柱脚来说，靴梁的高度由计算确定，不宜小于400mm；锚栓支承加劲肋通常不小于250mm，厚度不小于12mm；锚栓支承托座加劲肋通常不宜小于300mm，其上端宜刨平顶紧。见图3.3.1。锚栓支承加劲肋的顶板厚度，一般取底板厚度的0.5～0.7倍。锚栓垫板的厚度，对Q235钢垫板来说，可取0.5d；对Q345钢垫板来说，可取0.4d。d为锚栓直径。锚栓设计时，宜使锚栓屈服在底板和柱构件的屈服之后。设计上对锚栓宜留15%～20%的裕量。对于设置锚栓支承加劲肋的锚栓垫板，宜使垫板压在支承加劲肋上，对于类似宝钢那样地基较差的地区，由于基础下桩位偏移、砼施工误差等因素导致预埋锚栓偏差较大，若垫板的宽度富裕量不足，会使得垫板不能直接压在锚栓加劲肋上，使柱脚刚度得到削弱。因此，一般来说，对于设置锚栓支承加劲的形式，设计垫板时，应注意垫板的宽度应留有足够的富裕。同时，可以考虑将锚栓顶板上开孔大一些，比如取1.8倍的锚栓直径，避免现场局部扩孔。图3.3.4所示。图3.3.4垫板宽度应留有足够裕量示意锚栓距柱边距离a，可参考下表数值（mm），图3.3.5。锚栓直径M20M24M30M36M42M45M48M52a值60707580859090100锚栓直径M60M64M68M72M80M90M95M100a值110120130140160180190200注：本表中未注明锚栓直径可通过差值法得到。图3.3.5柱脚底板下抗剪键应能起到有效的抗剪作用，国外的抗剪键一般采用十字板或H型钢，受力较好。不宜采用角钢做抗剪键。见下图3.3.6。图3.3.6抗剪键图示第四章柱间支撑设计一、一般说明柱间支撑的作用、布置原则、类型详见“单层工业厂房总体方案”。对于单片的交叉支撑，截面一般采用单角钢、T型双角钢或双槽钢等形式；对于单片的K型支撑，可以采用钢管截面或强轴作用于平面外的H型钢等。当框架柱上柱截面高度大于800～1000mm时，一般设置双片支撑，其截面形式和缀条布置见图4.1.1。图4.1.1双片支撑截面及缀条布置对单层工业厂房来说，单片缀条形式一般用于支撑截面高度不大的情况下，比如，常用作柱头压杆的双片槽钢，当槽钢高度在250mm及其以下时，采用单片缀条，而大于250mm则采用双片缀条。若双片槽钢的支撑总宽度较小（同时槽钢截面也小），宜采用图4.1.1“单片缀条形式”中第二行的，即角钢缀条转45度直接焊于槽钢腹板内，不用节点板，这样的缀条连接刚度较大，制作简单、节省钢材。当双片支撑间距大于600mm时，应设置斜杆缀条，斜杆缀条布置分为有或无横缀条的两种形式（见图4.1.1）。当有横缀条时，斜杆约45度布置；当无横缀条时，手册上的规定有两个：（1）《建筑钢结构设计手册》（赵熙元）第449页，斜杆与水平夹角约为25度。（2）《钢结构设计手册》（汪一骏）第512页，当支撑为压杆时，a≤40i；当支撑为拉杆时，a≤80i。其中，i为支撑杆件的回转半径，对于槽钢来说，为绕截面弱轴，即y-y轴的回转半径。对于（1），实际指缀条节间距离不超过双片支撑的间距；对于（2），比如槽钢20a、压杆、40i=844mm，较通常设计严格。实际上，对缀条式格构柱截面稳定性计算包括：整体绕虚轴（x0轴）的稳定、分肢绕y轴的稳定、分肢绕1-1轴的局部稳定以及缀条计算，见图4.1.2。对于单层工业厂房的柱头双片槽钢压杆来说，绕虚轴的稳定性远远大于分肢绕y轴的稳定性，一般由绕y轴的长细比或稳定性控制。对于分肢1-1轴的局部稳定，根据《钢规》第5.1.4条，可知当分肢的长细比λ1小于等于0.7倍的绕y轴的长细比时，可不考虑其局部稳定。一般柱头压杆的长细比按200控制，即使考虑150的话，λ1可取105（因为0.7×150=105）,a值即为105i，这个值远大于40i，实际上“不超过40i”原为缀板式格构柱缀板间距的构造要求。因此，实际中，在仅设置斜缀条时，斜缀条节间距可比手册的规定略为放大，考虑到缀条对于格构柱虚轴抗剪刚度的有利作用以及缀条节点板的放样，也不宜将斜缀条节间距离拉得过大，一般斜缀条与分肢夹角应在40～70度之间（《钢规》第5.1.3条注2）。图4.1.2槽钢缀条式格构柱当双片支撑的间距小于等于600mm时，可只设置横缀条。横缀条间距：压杆，40i;拉杆，80i。对于常用的双片单角钢交叉支撑，之间系杆可同横缀条间距要求进行设置，系杆长细比不大于150（缀条长细比要求见《钢规》表5.3.8）。双片角钢支撑间系杆设置要求见图4.1.3。图4.1.3双片角钢支撑间系杆设置要求二、柱间支撑的计算1.荷载传递路线上柱支撑承受山墙风载、屋面天窗风载或纵向地震荷载，下柱支撑除承受山墙传来的风载，还承受吊车纵向刹车力或纵向地震力。边列柱下柱支撑当