门式刚架轻型钢结构房屋摇摆柱的合理设计

摘 要：从理论方面出发，并经实例分析，得出采用钢管截面作为门式刚架摇摆柱，较之采用H型钢作为摇摆柱，更加合理的结论。

关键词：摇摆柱 轴心受压构件 稳定应力 合理

中图分类号：TU22 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-007-03

门式刚架钢结构房屋现被广泛应用于工业建筑厂房、仓库，得益于国家行业标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的制定与推广，也得益于计算机辅助设计软件PKPM之STS门式刚架模块、3D3S门式刚架模块的使用方便，为设计者提供了高效的工具。然而一些参考书籍、程序，在进行门式刚架设计时，基本上将门式刚架钢结构的柱构件局限于H形截面钢柱，笔者认为对于门式刚架结构的摇摆柱，是不适宜的。

门式刚架摇摆柱在门式刚架榀中的位置如图1所示。

显然，门式刚架的摇摆柱，除了山墙面上（可能受风横力作用）的之外，因为两端铰接，为轴心受压构件。轴心受压构件，主要受稳定应力控制。它与构件的长细比成正比，计算公式为：=，其中，叫做轴心受压构件的稳定系数，取截面主轴稳定系数中的较小者，是与长细比相关的函数，愈大， 愈小（见钢结构设计规范附表C）。一般双轴对称构件，=l x0/ix0，= l y0/iy0 。显然，当构件的长度l相同时，构件的回转半径愈大，愈小，意味着可以得到较大的稳定系数。对于同等延米重量的截面，H形截面构件，较之钢管截面构件，其弱轴线的回转半径要小得多。具体计算就不在此处赘述了，举例说明如表1。

由表1可知，同等重量两种截面，圆钢管截面的回转半径差不多大两倍。换言之，同等回转半径，圆钢管截面重量仅为H形截面的一半。

当采用H形截面材料作为摇摆柱时，为了解决弱轴向稳定性的问题，一般在柱间沿高度向设置柱间支撑，形式如图2。

这样做相较单纯加大H形柱截面，可以降低用钢量，比较经济一些，但是一个是增加了施工工作量，二是在车间内因刚性系杆的设置，大大降低了车间交通使用高度，有时这个显得很重要。

即使按上述方法设置支撑，当摇摆柱截面为H形截面时，结构整体经济性仍较采用钢管截面柱作为摇摆柱的方案差。下面以一个工程的两个结构方案进行比较，结论很清楚。

该工程项目属于昆钢集团耐火材料厂，为一个工业厂房，厂房跨度（总跨度）60m，长度150m，檐口高度8m，屋面坡度0.12，屋架榀间距6m。其实际设计摇摆柱采用H形截面柱，门式刚架榀截面、摇摆柱纵向支撑设置分别如图3、图4所示。

当摇摆柱设置为圆钢管截面时，柱间不用设置柱间支撑，门式刚架榀截面如图5。

两种方案中，H形截面摇摆柱使用H220X150X6X6；钢管截面摇摆柱使用203X4.0，结构计算结果分别如图6、图7所示。

由图6、图7可见，此时两方案摇摆柱的稳定应力（控制应力）分别为0.77、0.78，非常接近。

（以上计算使用PKPM程序，STS门式刚架模块计算，输入参数为：荷载标准值：恒载：0.2，活载：0.3，风载：0.3，雪载：0.3，采用轻钢规范，勾选钢梁还需按压弯构件计算稳定性）

摇摆柱柱列两方案用钢量比较列表如表2。

由表2可看出，采用钢管做摇摆柱的方案可节省用钢量7.6吨。

可能有人会说，采用钢管柱，与H形截面屋面斜梁的铰接节点不好做。笔者认为这个并不复杂，根据钢管的受力特点，此节点形式可以采用图8、图9两种形式。

综上所述，采用钢管作为摇摆柱，较之用H型钢做摇摆柱，更为合理，体现在以下几个方面：

（1）用钢量更少，直接体现了经济性。

（2）提供更高的内部使用高度，满足建筑使用的特殊需要。

（3）减少柱间支撑体系，减少制作安装的工作量。