钢结构抗风柱的设计.docx

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钢结构抗风柱的设计

钢结构抗风柱的设计

一、介绍设置在房屋结构两端山墙内，抵抗水平风荷载的钢筋混凝土构造柱简称为抗风柱。

将抗风柱在水平方向连接起来、起整体加固作用的钢筋混凝土梁简称为抗风横梁。

一般用于高耸、内部大空间、横墙少的砖混结构房屋，如工业厂房、大型仓库等。

图1为单层厂房透视图，我们从图中可以看一下抗风柱的位置情况：

抗风柱虽然在《钢结构设计规范》和《门式刚架规范》中均未有专门条文介绍如何设计，但是作为结构受力构件，只要分析清楚它在结构体系中的受力状态，按照规范相关条文进行计算分析，并满足规范规定的构造要求，我们就能合理的设计出安全经济的抗风柱。

接下来我们就抗风柱的设计全面介绍如下：

二、力学分析

抗风柱有三种布置方法：

（1）即抗风柱柱脚与基础刚接，柱顶与屋架通过弹簧片连接。

（2）即抗风柱柱脚与基础铰接，柱顶与屋架通过长圆孔连接板或弹簧片连接。

按这两种布置方法，屋面荷载全部由刚架承受，抗风柱不承受上部刚架传递的竖向荷载，只承受墙体和自身的重量和风荷载，成为名副其实的“抗风柱”。

（3）按门式刚架轻钢结构布置，抗风柱与屋架梁刚接，与钢梁、钢柱一起组成门式刚架结构。

即抗风柱柱脚与基础铰接（或刚接），柱顶与屋架刚接。

按这种布置方法，屋面荷载由刚架及抗风柱共同承担。

抗风柱同时承担竖向荷载和风荷载。

第一种布置方式即悬臂梁式。

主要特点是：

抗风柱柱脚刚接，相当于我们一般的悬臂梁受力形式，抗风柱本身独立承受墙面传递的风荷载。

在过去重屋面的单层工业厂房中，因为抗风柱和厂房结构柱所承受的竖向荷载差距较大，为避免不均匀沉降对结构受力形式的改变和不利影响，一般需要释放竖向约束。

在轻钢厂房开始的初期，我们经常看到一些图纸中，在抗风柱的顶部加设弹簧板，与主钢架连接，就是这种设计理念。

这种抗风柱的主要特点是：

1）柱脚刚接；

2）截面根据实际情况，有时较大，有时就会很节省；

3）顶部弹簧板连接。

我们现在把悬臂梁式抗风柱力学模型展示如图2所示：

第二种为简支梁式，这种抗风柱的特点是：

柱脚铰接、顶部与主钢架铰接，这种抗风柱的受力形式简单，采用较小的截面就能满足。

风荷载通过抗风柱传递到主钢架，依靠主钢架的支撑体系承受水平风荷载。

在轻型钢结构厂房设计中，受力形式简单，力的传递途径明确。

主要的特点是：

1）主钢架承受竖向荷载和横向水平荷载；

2）抗风柱承受和传递水平纵向风荷载；

3）支撑体系承受纵向水平荷载。

这种抗风柱的优点是：

1）受力形式简单，截面较小；

2）铰接节点加工和安装比较方便，成本低；

3）充分发挥了整体结构的承载能力，总体成本低。

我们现在把简支梁式抗风柱力学模型展示如图3所示：

三、设计计算对于抗风柱首先要满足《钢结构设计规范》中对于钢柱的基本规定：

1、容许长细比

抗风柱平面内计算长度：

柱脚铰接，柱顶铰接，计算长度系数为1.0;柱

脚刚接，柱顶铰接，计算长度系数为0.732.抗风柱平面内计算长度：

侧向支撑点之间的距离，可取檩条之间的距离，一般为3000m

2、挠度

抗风柱的挠度。

由于抗风柱受弯作为控制受力，所以也要考虑挠度，《钢结构设计规范》中主钢架的挠度限值为1/400L，《门式刚规》里面对于墙梁水平挠度要求是1/180。

四、节点构造

当我们设计完截面尺寸后，开始要完成施工图设计，下面介绍常用的节点形式：

3、抗风柱与屋架梁铰接节点

可以看到此种柱顶铰接采用弹簧片连接，还有采用竖向长圆孔连接。

五、总结

虽然规范中很难找到抗风柱如何设计的条文，但是只要把它的受力分析清楚，再根据相关条文即可设计出经济合理的截面来。

同时根据建筑的使用要求及条件，合理选择抗风柱受力形式，也是我们合理设计的关键。

以我个人多年的钢结构设计工作经验：

对于厂房抗风柱高度不是很高，就可以选择柱脚和柱顶都为铰接的形式，可以得到比较经济的截面；而对于高度比较高的厂房，可选择柱脚刚接，减少计算长度，从而使截面经济性得以体现。

4.抗风柱整体详图

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5、受弯整体稳定性

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具诊定性应任下刃规定卄第：

I今矩作畀平禹虫的稔定性;

（5.2.21）

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书蚁弯疋累数、应按下列農定釆用:

2、受压强度稳定性

实腹戒轴心受压构件的稳定性应按下式计算：

讲&（5・1・2・1）

（P—轴心受压构件的稳定系数（取截面初主轴稳定系数中的较小者），应根据构件的氏细比、钢材屈服强度和表S.1.2-1.«5.1.2-2的截面分类按附录C采用.

3、受压局部稳定性

5.4.I在受压构件中•堤缘板自由外伸宽度仆与其烽度/之比.炷符合下列宴求：

1轴心受压构件；

拝（5.4.1-1）

式中A构件两方向长细比的较大值；当人＜30时.取入=30:

当A＞IO0时.®lA=100.

2压弯构件;

<5.4.1-2）

当强度和稳定计算中=0时』/f可放宽至1572357/.

江JC煤板白由外伸竟度6的取（&为：

对坤揍构件•取81梅血PH嫌梅血塚的即黑；对轧制沟件•取内点至K邸板《戟＞边徐的恵离.

5.42在工字形及H彩截面的受压构件中•腹板计算禺度九与其厚度、之比•应符合下列要求，

1轴心受压构件：

中W（25+0.5入〉（5.4.2-1）

式中入一

构件两方向长细比的咬大值，当A<30时，取入=30；当入>100时•取A=100.

2压弯构件;

（5.4.22）

夕冬（】6血十0.说+25）彳亨

当1.6

4.叟写盪厦

5.2.1弯矩作用在主平Ifc内的拉弯杓件和压序构件•其强度应按

NVfM

弍中y・、y,与裁血碘域相应的戢面塑性发展系效•应按我

5.2.］采用.

同哉面处绕；轴和〉«1的弯矩（对丄宇形戲

面山轴为aa.ytt为弱辆八

Wa.,U/„对X轴和y轴的净截面模fit，

r.»r,——戲面塑性发展糸数•对丄字形截曲•人=1・05・

y7=1.2O：

n箱形抵面•儿=”产1.05；対具他rv—mw力M心压加

載面•可按衷5.2.1采用：

A.—

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图2悬臂梁式抗风柱力学模型

图3简支梁式抗风柱力学模型

5.3.8受压构件的长细比不宜超过表5.3.8的容许值。

表5.3.8受JE构件的容许长细比

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图1单层厂房透视图

须次

弄许艮细比

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林•桁皿和戻窗礙中的杆汴

150

林的缀条、吊车:

菜或用车祈架以F的柱间支推

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支搏（吊车架或芾乍桁架以卜的柱间支荐除外）

200

用以减小受压构件长细比的杆件

2、抗风柱刚性柱脚节点

3、抗风柱较接柱脚节点

长细比计算公式:

构件长细比入应按照F列规定确定；

I截面为双轴对称或极对称的构件，

入严“■儿A,=Iiy（5.1.2-2）

式中—构件对主轴才和y的计算长度*

i；u；——构件敌面对主轴J■和y的回转半径.

对双轴对称十字形减面构件•入.或儿取值不得小于5.07”『（JC中b/f为悬伸板件宽厚比）•