手把手教你鋼結構抗風柱的設計

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一、介紹設置在房屋結構兩端山墻內，抵抗水平風荷載的鋼筋混凝土構造柱簡稱為抗風柱。將抗風柱在水平方向連接起來、起整體加固作用的鋼筋混凝土梁簡稱為抗風橫梁。一般用于高聳、內部大空間、橫墻少的磚混結構房屋，如工業(yè)廠房、大型倉庫等。圖1為單層廠房透視圖，我們從圖中可以看一下抗風柱的位置情況：
 

   抗風柱雖然在《鋼結構設計規(guī)范》和《門式剛架規(guī)范》中均未有專門條文介紹如何設計，但是作為結構受力構件，只要分析清楚它在結構體系中的受力狀態(tài)，按照規(guī)范相關條文進行計算分析，并滿足規(guī)范規(guī)定的構造要求，我們就能合理的設計出安全經(jīng)濟的抗風柱。接下來我們就抗風柱的設計全面介紹如下：

二、力學分析

抗風柱有三種布置方法：

   (1) 即抗風柱柱腳與基礎剛接，柱頂與屋架通過彈簧片連接。

   (2) 即抗風柱柱腳與基礎鉸接，柱頂與屋架通過長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荷載,成為名副其實的“抗風柱”。

   (3)按門式剛架輕鋼結構布置，抗風柱與屋架梁剛接，與鋼梁、鋼柱一起組成門式剛架結構。即抗風柱柱腳與基礎鉸接(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柱共同承擔?？癸L柱同時承擔豎向荷載和風荷載。

第一種布置方式即懸臂梁式。

   主要特點是：抗風柱柱腳剛接，相當于我們一般的懸臂梁受力形式，抗風柱本身獨立承受墻面?zhèn)鬟f的風荷載。在過去重屋面的單層工業(yè)廠房中，因為抗風柱和廠房結構柱所承受的豎向荷載差距較大，為避免不均勻沉降對結構受力形式的改變和不利影響，一般需要釋放豎向約束。在輕鋼廠房開始的初期，我們經(jīng)?？吹揭恍﹫D紙中，在抗風柱的頂部加設彈簧板，與主鋼架連接，就是這種設計理念。

這種抗風柱的主要特點是：

   1）柱腳剛接；

   2）截面根據(jù)實際情況，有時較大，有時就會很節(jié)?。?/p>

   3）頂部彈簧板連接。

   我們現(xiàn)在把懸臂梁式抗風柱力學模型展示如圖2所示：第二種為簡支梁式，這種抗風柱的特點是：柱腳鉸接、頂部與主鋼架鉸接，這種抗風柱的受力形式簡單，采用較小的截面就能滿足。風荷載通過抗風柱傳遞到主鋼架，依靠主鋼架的支撐體系承受水平風荷載。在輕型鋼結構廠房設計中，受力形式簡單，力的傳遞途徑明確。

主要的特點是：

   1）主鋼架承受豎向荷載和橫向水平荷載；

   2）抗風柱承受和傳遞水平縱向風荷載；

   3）支撐體系承受縱向水平荷載。

這種抗風柱的優(yōu)點是：

   1）受力形式簡單，截面較?。?/p>

   2）鉸接節(jié)點加工和安裝比較方便，成本低；

   3）充分發(fā)揮了整體結構的承載能力，總體成本低。

我們現(xiàn)在把簡支梁式抗風柱力學模型展示如圖3所示：

三、設計計算對于抗風柱首先要滿足《鋼結構設計規(guī)范》中對于鋼柱的基本規(guī)定：

   1、容許長細比

抗風柱平面內計算長度：柱腳鉸接，柱頂鉸接，計算長度系數(shù)為1.0；柱腳剛接，柱頂鉸接，計算長度系數(shù)為0.732.抗風柱平面內計算長度：側向支撐點之間的距離，可取檁條之間的距離，一般為3000m

   2、撓度

抗風柱的撓度。由于抗風柱受彎作為控制受力，所以也要考慮撓度，《鋼結構設計規(guī)范》中主鋼架的撓度限值為1/400L，《門式剛規(guī)》里面對于墻梁水平撓度要求是1/180。

四、節(jié)點構造

當我們設計完截面尺寸后，開始要完成施工圖設計，下面介紹常用的節(jié)點形式：

   3、抗風柱與屋架梁鉸接節(jié)點

可以看到此種柱頂鉸接采用彈簧片連接，還有采用豎向長圓孔連接。

五、總結

   雖然規(guī)范中很難找到抗風柱如何設計的條文，但是只要把它的受力分析清楚，再根據(jù)相關條文即可設計出經(jīng)濟合理的截面來。同時根據(jù)建筑的使用要求及條件，合理選擇抗風柱受力形式，也是我們合理設計的關鍵。以我個人多年的鋼結構設計工作經(jīng)驗：對于廠房抗風柱高度不是很高，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)濟的截面；而對于高度比較高的廠房，可選擇柱腳剛接，減少計算長度，從而使截面經(jīng)濟性得以體現(xiàn)。