压缩机厂房柱间支撑的设计

摘要:

通过对化工装置结构设计中经常遇到的压缩机厂房中柱间支撑的设计，讨论了单层工业厂房中柱间支撑的设计过程。柱间支撑的作用是将单独的平面框架连接成空间体系，以保证厂房结构具有必要的刚度和稳定性，同时承受吊车水平荷载，风荷载及地震力的作用。柱间支撑是由竖向支撑（包括托架）和上下系杆，上段柱支撑，下段柱支撑组成的桁架体系；主要用来承受山墙及天窗架端壁传来的集中风荷载，吊车纵向水平荷载及作用于厂房纵向的其它水平荷载；在地震区柱间支撑还要承受厂房纵向地震作用。

关键词：压缩机厂房，单层厂房，柱间支撑

中图分类号： U260.8+1文献标识码： A

0引言

压缩机厂房是石油化工行业中较常见的构筑物之一，是石油化工装置的重要组成部分，压缩机厂房根据建筑和工艺的要求，一般采用单层单跨的建筑形式，厂房的结构形式宜采用装配式或现浇的钢筋混凝土排架结构或钢结构。由于厂房中要设置构架式压缩机基础，所以厂房的高度比较高；由于安装和检修离心式压缩机的需要，厂房中一般设置1-2台中级桥式吊车，因此厂房纵向的风荷载和吊车的纵向水平力都比较大，这时就需要设置柱间支撑与厂房的框架柱组成刚度较大的纵向刚架，以保证厂房骨架的整体稳定，提供足够的纵向刚度。由于单层工业厂房一般采取平面的计算模型，很多设计人员对厂房的横向结构的计算比较熟悉，而对于厂房纵向力的传递以及柱间支撑的计算方法比较模糊，本文将结合工程实例对传递厂房纵向力的柱间支撑的设置位置及计算方法进行探讨。

结合压缩机厂房建筑设计规定和建筑抗震设计规范的相应条文，总结了柱间支撑的设置原则，并根据一些相关资料和已做工程总结后，给出厂房设置吊车时柱间支撑的设置原则。文中还给出了单层工业厂房中常见的十字交叉柱间支撑和人字形支撑的的计算简图和计算公式，以及规范中对柱间支撑杆件的长细比限制的要求。最后，结合沙特某压缩机厂房柱间支撑的设计实例，给出了柱间支撑的布置，设计计算的详细过程。

1 柱间支撑的组成

由于压缩机厂房一般采用采用钢筋混凝土排架结构或钢结构的结构形式，而单层工业厂房的的支撑体系主要包括屋盖支撑，柱间支撑和其他附加支撑，其作用是将单独的平面框架连接成空间体系，以保证厂房结构必要的刚度和稳定性，同时承受吊车水平荷载，风荷载及地震作用。柱间支撑主要由以下各部分构件组成，如图1－1所示：

图1－1 柱间支撑的组成

1）屋架端部高度范围内竖向支撑（包括托架）和上下系杆；

2）在吊车梁（或吊车桁架）以上至屋架下弦间设置的上段柱支撑；

3）吊车梁（或吊车桁架）以下至柱脚处设置的下段柱支撑；

2 柱间支撑的布置原则

2.1 规范中对柱间支撑布置的要求

压缩机厂房建筑设计规定（HG/T 20673-2005）中对压缩机厂房柱间支撑的设置做出了如下规定[1]：一般情况下应在厂房单元中部设置上、下柱间支撑，有吊车或8度和9度时，宜在厂房单元两端增设上柱支撑。当柱子被足够强度和良好的稳定性墙体嵌固（单层钢结构厂房除外）、具有足够的整体作用，且吊车起重量小于5t时，可以不设柱间支撑。由于压缩机厂房一般采用单层工业厂房的结构形式，按照建筑抗震设计规范（GB50011-2010）的规定[2]，

对单层混凝土柱厂房：

厂房柱间支撑的布置，应符合下列规定：

1) 一般情况下，应在厂房单元中部设置上、下柱间支撑，且下柱支撑应与上柱支撑配套设置；

2) 有起重机或8度9度时，宜在厂房单元两端增设上柱支撑；

3) 厂房单元较长或8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，可在厂房单元中部1/3区段内设置两道柱间支撑。

对于单层钢结构厂房：

厂房单元的各纵向柱列，应在厂房单元中部布置一道下柱柱间支撑；

当7度厂房单元长度大于120m（采用轻型围护材料时为150m）、8度和9度厂房单元大于90m （采用轻型围护材料时为120m）时，应在厂房单元1/3区段内各布置一道下柱支撑；当柱距数不超过5个且厂房长度小于60m时，亦可在厂房单元两端布置下柱支撑。上柱柱间支撑应布置在厂房单元两端和具有下柱支撑的柱间。

对比以上几点，两种规范对柱间支撑设置的要求基本一致，而抗震规范的要求更加具体。

2.2 有吊车时柱间支撑布置的原则

在参考《钢结构设计与计算》（第二版）中一些相关资料和已做工程总结后，认为有吊车时柱间支撑宜按以下原则设置[6]：

1）柱间支撑的布置应尽可能与屋盖横向水平支撑布置相协调，并配套形成上、下整体共同工作的空间桁架体系；

2）厂房每一单元中的每一列柱，都应设置柱间支撑，且边列和中列的柱间支撑应尽量设置在同一开间；

3）柱间支撑一般设置在厂房单元中央区段，并同时设置上柱和下柱支撑；

4）当厂房内设有桥式起动机或位于地震区时，尚宜在厂房单元两端开间设置上柱支撑；

5）当厂房温度区段长度大于150m时；或设防烈度7度时结构单元长度大于120m，及8度、9度时结构单元长度大于90m时，可采用设置两道下段柱柱间支撑的方案，支撑可布置在厂房单元区段1/3区段处，为了避免产生过大的温度应力，两道支撑的中心距离不宜大于纵向温度区段的60%；

6）厂房各列柱的柱顶，均应在屋架支座点处设置通长的水平压杆；在屋架的端高范围内的柱段，当其高度≥900mm时，应在端跨及柱间支撑的跨间设置支撑，若屋架支座处或墙架结构设有通长水平压杆时，则二者可合并处理；

7）柱截面高度≤800mm时，柱间支撑可采用沿柱中心线设置的单片支撑；当柱截面高度≥800mm时，柱间支撑一般沿两柱肢设置双片支撑；

3柱间支撑的计算简图及荷载取法

3.1 柱间支撑所承受纵向水平荷载

压缩机厂房柱间支撑抵抗的荷载主要有以下几种[4]：

1）由厂房一端（有中间伸缩缝时）或两端（无中间伸缩缝时）的山墙及天窗架端壁传来的集中风荷载W。

2）吊车纵向水平荷载T：由吊车在轨道上行驶所产生的刹车力，一般按不多于两台吊车计算。T=0.1PMAX；

3）作用于厂房纵向的其它水平荷载H，如固定于厂房上的管道设备的纵向推力等；

4）厂房位于地震区内，尚应验算作用在厂房纵向的地震作用对厂房纵向支撑系统产生的影响。

3.2 柱间支撑的受力形式和内力计算

（1）柱间支撑计算简图的规定

在对压缩机厂房柱间支撑的计算过程中，对压缩机厂房柱间支撑

计算简图做了下列规定：

1）计算柱间支撑的的内力时，假定节点为铰接，并忽略偏心的影响。当在同一温度区段内设有两道或两道以上的柱间支撑，则全部纵向水平荷载由柱列的所有支撑共同承受。

2）不考虑纵向水平地震作用时，上柱支撑承受山墙、天窗架端壁传来的风荷载W1及其他的纵向水平荷载H；下柱支撑除上述支撑传来的纵向力W1和H外，还承受吊车的纵向水平荷载T及山墙传来的风荷载W2

3）地震区的厂房柱间支撑，当计算地震纵向水平作用时不同时考虑端墙风荷载，吊车纵向水平荷载和其他纵向水平荷载。

下面着重对比较常用的十字交叉支撑和人字形支撑的内力计算进行详细说明（计算简图如2-2所示）：

图2-2

a. 十字交叉支撑：一般假设十字交叉支撑仅承受拉力而不承受压力，柱间支撑的内力如下：

柱顶系杆：

N1=H+W （3－1）

上段柱支撑斜杆：

N2=(H+W)/ cos（3－2）

下段柱支撑斜杆：

N3=(H+T+W)/ cos（3－3）

b.人字形支撑：人字形支撑一杆承受拉力，另一杆承受压力，计算公式为：

N1=-N2=(H+W)/(2 cos)（3－4）

4柱间支撑杆件的长细比计算

压缩机厂房柱间支撑的杆件要按照规范进行杆件的强度和稳定性的验算，同时还要保证杆件的长细比满足规范要求，下面进行分别说明：

4.1支撑杆件的计算长度和长细比限制

（1）支撑杆件的计算长度

1)中间无支撑点的杆件其在支撑平面内和平面外均取节点中心的距离，即取构件几何长度L0=L，当做斜平面计算时取L0=0.9L

2)十字交叉支撑的斜杆仅作受拉杆验算时，其平面外取节点中心间的距离L0=L（交叉点不作为节点考虑），其平面内的计算长度取节点中心至交叉点间的距离。

3)双片支撑的单肢杆件在平面外的计算长度，可取横向连杆间之间的距离。

4)两主轴均不在平面内的单角钢杆件在斜平面的计算长度可以取节点中心至交叉点间的距离的0.9倍。

（2）支撑杆件的长细比限值

表4-1交叉支撑斜杆的最大长细比[2]

位置 烈度

6度和7度I、Ⅱ类场地 7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度I、Ⅱ类场地 8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度I、Ⅱ类场地 9度Ⅲ、Ⅳ类场地

上柱支撑 250 250 200 150

下柱支撑 200 150 120 120

具体到十字交叉支撑，有：

1) 十字交叉支撑斜杆的最大长细比限值见表4-2所示：

表4-2 十字交叉支撑斜杆的最大长细比限值[6]

位置 抗震设防烈度

6.7度

8度Ⅰ、Ⅱ类场地 8度Ⅲ、Ⅳ及9度Ⅰ、Ⅱ类场地

9度Ⅰ、Ⅱ类场地

地震区 上柱支撑 250 250 200 150

下柱支撑 200 200 150 150

位置 有轻中级工作制吊车厂房 有重级工作制吊车厂房

非地震区 上柱支撑 400 350

下柱支撑 350 200

对比表格中在抗震区和非抗震区长细比的限值，可以发现在抗震区对杆件长细比的限值要求比较严格，而且随着抗震设防烈度的增加，限值控制的越严。这是因为柱间支撑是厂房纵向抗震的主要抗侧力构件，具有较大的抗侧力刚度。其破坏主要出现在8度及以上地区，其破坏特征主要是支撑斜杆在平面内或平面外的压屈，据不完全统计，支撑杆件长细比控制在≤200时，杆件基本完好，所以抗震规范按照不同的抗震设防烈度，对长细比的限制作了更加严格的要求，在设计时要严格按照抗震规范的规定执行。

2) 人字支撑应该按照受压腹杆进行计算，其最大长细比不应该大于150。

5柱间支撑杆件截面的计算

支撑杆件在纵向水平力的作用下的截面验算要遵照以下规定：

1) 对十字交叉支撑，当杆件长细比λ≥200时，仅考虑十字交叉支撑拉杆的受力，其截面应力的计算公式为[3]：

σ=Nt/An≤f （4－1）

Nt— 杆件按纵向水平力作用计算所得的内力

An— 杆件的净截面面积

f— 钢材的抗拉强度设计值

当杆件长细比λ≤200时，按十字交叉支撑的拉杆受力设计并考虑另一根杆的卸载作用，其验算公式如[3]：

σ=Nt/（1+ψη）An （4－2）

ψ—另一根受压杆件的稳定系数

η—压杆在反复循环荷载作用下的降低系数，其数值可参考表4-3

表4-3 压杆在反复循环荷载作用下的降低系数[6]

长细比

60

70

80

90

100

120

150

200

钢号

Q235 0.816 0.792 0.769 0.747 0.727 0.689 0.639 0.571

Q345 0.785 0.758 0.733 0.709 0.687 00.646 0.594 0.523

说明：中间值可按直线插入

可见，λ越大，η越小，则σ越大，即长细比越大对另一杆的卸载作用越差。

2)对人字形支撑，当按压杆设计时，其其截面应力的计算公式为[3]：

σ=Nc/（ψηA）≤f（4－3）

Nc— 杆件按纵向水平力作用计算所得的内力

A— 杆件的毛截面面积

ψ— 件的稳定系数

f— 钢材的抗拉强度设计值

6工程计算实例

6.1工程概况

地处沙特的某压缩机厂房，单跨跨度21米，长54m，设一台15T电动单梁桥式吊车，牛腿标高8m，柱顶15m,两面坡排水坡度5%，地面粗糙类为C类，结构形式采用钢结构排架柱和轻型屋面钢屋架的结构形式，抗震设防烈度为6度，试对其柱间支撑进行设计，其支撑布置见图3-3：

图3-3

6.2柱间支撑设计

计算简图见3-3所示,荷载计算如下：

山墙传来的集中风荷载：W=55.3KN

吊车纵向水平荷载：T=1.4X0.1X2X173=48.44KN

柱顶系杆轴力：N1=W1=55.3/3=－18.43KN（压）

上柱支撑轴力：N2=N1/ cos =18.43/0.76=24.3KN（拉）

下柱支撑轴力：N3=(T+W)/ cos =(48.44+55.3)/0.8=129.7KN（拉）

1)上柱柱间支撑的计算(采用双角钢,节点板厚度为10mm)

斜腹杆选用2L100X10lx=461cmix=3.05cm

A=38.52cm2lv=922cmiv=4.52cm

λx= lx / ix = 4610/30.5 = 152< [250]

λv= lv / iv = 9220/45.2 = 204 < [250]

σ=N3/A=24.3X103 /3852= 6.3 N/mm2

2)下柱柱间支撑(采用双片横杆式支撑)

斜腹杆选用2L110X70X8(长边相连)b=600mm 缀条选用L50X5,间距600mm,节点板厚度10mm。

lx=500cmix=3.51cm ly=60cm

A=2789mm2

λx= lx / ix =500/3.51 = 142 < [200]

由于平面外计算长度为连杆之间的距离，此长度很小，因此不用验算，只需要验算杆件的平面外计算长度既可

σ=N3/A=129.7X103 /2789= 46.5 N/mm2

缀条不再在此做验算。

7 结论

压缩机厂房的柱间支撑应按照规范规定的要求进行布置，然后对支撑的杆件进行长细比和截面的验算，经过工程实际计算可知，对柱间支撑起控制作用的一般为长细比的验算，因为杆件受到的拉应力一般很小，所以杆件的截面计算不起控制作用。单片支撑及双片支撑的计算的平面外计算长度是平面内计算长度的2倍，所以采用平面外回转半径大于杆平面内回转半径的杆件较经济；横杆式支撑由于连杆的作用，杆件的平面内计算长度很小，只需验算杆件平面外的长细比和截面即可。

参考文献

[]压缩机厂房建筑设计规定（HG/T 20673-2005）

[2]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）

[3]钢结构设计规范（GB50017-2003）

[4]建筑结构荷载规范（GB50009-2012）

[5]钢结构设计手册（第三版）（中国建筑工业出版社）

[6]钢结构设计与计算（第二版）（机械工业出版社）

作者简介：李建浪(1978.10 )，男，工程师，福陆（中国）工程建设有限公司，北京100004