摘要：本文介绍了钢结构中的纵向支撑体系、吊车梁系统及吊车梁与排架柱的连接及其在设计中与纵向支撑系统的结合的基本知识，对设计进行了阐述，对一些问题做了讨论。
摘 要：本文介绍了钢结构中的纵向支撑体系、吊车梁系统及吊车梁与排架柱的连接及其在设计中与纵向支撑系统的结合的基本知识，对设计进行了阐述，对一些问题做了讨论。
关键词：钢结构 纵向支撑系统 吊车梁 吊车梁的连接
1.概述
目前，随着我国经济水平的提高，钢结构在工业项目中的应用越来越普遍了，各种普通钢结构厂房和轻型钢结构厂房、库房应用得越来越广泛。这种结构普遍可以采用单榀排架进行横向结构设计，目前国内开发的TAT和PS2000等结构设计软件都能很好的解决单榀横向设计的问题，所以不论从设计概念还是在设计程序的使用上，横向设计都是比较成熟的。但对于纵向设计就会存在一些设计上的误区，这主要是由两个原因造成的，一是目前还没有可以直接用来计算纵向体系的程序，设计人员普遍采用电算与手算相结合的方法来解决计算问题，二是很多的设计人员对于这种结构的纵向支撑体系的理解还有所欠缺，致使一些构造做法与计算的假定不完全吻合，造成构造设计上的不尽合理，或者是材料的浪费。本文对钢结构纵向支撑体系设计进行一个总结，以便使得今后的设计更为合理。
单层排架式普通钢结构与轻型钢结构的共同特点是：
１）横向为排架结构。排架式普通钢结构厂房通常带有吊车系统，一般为柱底固结，上部屋架为实腹钢梁时一般与柱为刚接，为桁架式屋架时，一般可做成与柱铰接的形式。排架柱通常在吊车梁下面的牛腿或肩梁顶的标高处变一次截面；轻型钢结构厂房通常为柱底铰接，上部与刚架梁为刚接，刚架柱的截面高度通常为下部小，上部大的均匀变化的截面。
２）纵向为支撑系统。一般结构在一个温度区段内设一至三道柱间支撑，结构的纵向水平荷载大部分传到柱间支撑上，由柱间支撑承担。结构的温度区段的划分分别参照钢结构设计规范和轻钢结构设计规程的规定。
３）结构体系计算特点：由于纵向水平荷载由支撑系统承担，排架柱或刚架柱在纵向几乎不承担荷载，所以结构的受力分析可以按照横向排架或刚架进行单榀分析，不必考虑整体结构分析。结构的整体性是由屋盖支撑体系及结构纵向支撑体系的构造措施来加以保证的。
４）结构按照横向排架或刚架进行单榀分析，所以基础的设计也可只考虑横向排架在柱底部产生的弯矩或剪力，纵向水平荷载由柱间支撑传给柱间支撑拉梁，除与柱间支撑拉梁相连的基础需考虑纵向弯矩外，其他基础不必考虑纵向弯矩与剪力。
2.纵向支撑体系的设计
厂房的纵向支撑系统通常由柱间支撑和纵向系杆组成。当厂房的高度较高或带有吊车梁系统时，厂房通常沿高度分成两段或多段柱间支撑，如图1所示：
图1 厂房纵向结构示意图
由图1可见：
1）通常在屋架或屋面梁支座的标高处设一道上部纵向系杆，该系杆通常按照压杆考虑。如果有托架或托梁，则可利用托架或托梁兼做纵向系杆，不必单独设置。
2）在吊车梁以上及上部纵向系杆之间设置上段柱间支撑。
3）在吊车梁以下至柱脚之间设下段柱间支撑及下段柱系杆。
柱间支撑的布置一般应遵循以下原则：
1）支撑的布置应尽量和屋面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，所以一般与屋盖上下弦横向支撑及垂直支撑设在同一柱跨内。
2）沿厂房纵向的每一列柱都应设置纵向柱间支撑，并且各列柱的纵向柱间支撑应尽可能布置在同一柱跨开间。
3）柱间支撑一般宜设置在厂房一个温度区段的中间部位，并且上段柱间支撑与下段柱间支撑位于同一开间内。这样布置有利于释放温度应力。当温度区段的长度大于120m时，可在温度区段内设置两道下段柱间支撑，其位置宜布置在温度区段中间三分之一范围内，两道支撑的中心距离不宜大于60米。
4）当厂房内设有桥式吊车或地震烈度为8度、9度时，为了很好的传递地震作用和提高房屋结构上部的纵向刚度，还应该在厂房一个温度区段的两个端开间设上段柱间支撑。
5)高度≤800mm的等截面柱，一般可沿柱的中心线设置单片柱间支撑。
阶梯形柱当上柱截面高度≤800mm时，一般采用单片支撑，当上柱截面高度＞800mm或设有吊车梁走道板的通行人孔时，应沿柱两翼缘内侧设置双片支撑。
阶梯形柱的下段柱，一般沿两柱肢设置双片支撑。
纵向支撑系统的计算模式：
1)厂房的纵向水平荷载通常是由以下几种荷载组合而成的：
a纵向水平风荷载：由厂房两端或一端（厂房设有中间伸缩缝时）的山墙传来的风荷载。
b吊车纵向水平荷载：由吊车在轨道上产生的纵向刹车力，一般按不多于两台吊车计算。
吊车的纵向水平荷载通常为：
T=0.1∑Pmax
式中：Pmax为吊车刹车轮的最大轮压，刹车轮的数量通常为吊车一侧轮子数量的一半。
在具有大吨位重级工作制的厂房中，该荷载为主要的纵向水平荷载之一。
c沿厂房纵向的水平地震作用。
d其他的纵向水平荷载，如固定于厂房柱列的设备、管道等的纵向水平推力等。
2)纵向柱间支撑的形式和计算：
柱间支撑的形式一般为十字交叉支撑，这种支撑既可按拉杆进行设计，又可按压杆设计，但当按拉杆设计时，纵向水平系杆必须按压杆设计。十字交叉支撑连接简单、便于施工，因此是柱间支撑最常用的形式。十字交叉支撑的角度一般为40~60°之间。
此外还有人字支撑、八字支撑及门形支撑等形式。这类柱间主要用于柱距较大的情况，若采用十字支撑支撑杆件的角度过大。另外，如果在柱间支撑所在开间建筑开有较大的门而无法使用十字支撑时，也需采用人字支撑、八字支撑或门形支撑，在门的布置偏向某一侧时，还可采用单腿式门形支撑。
a单层厂房的纵向受力体系可简化为铰接体系，即：纵向系杆与排架柱均为铰接，柱间支撑于排架柱的连接也都按铰接节点进行设计。
b按照计算简图，一个温度区段内的全部纵向水平荷载仅由该柱列的所有柱间支撑承受，不与柱间支撑相连的排架柱不承受纵向水平荷载。纵向水平荷载由纵向水平系杆传递。
c屋盖、天窗及上部柱间支撑高度范围内的部分风荷载由上段柱间支撑承受。由吊车运行产生的纵向水平刹车力和下段柱间支撑范围内山墙传来的风荷载由下段柱间支撑直接承受，同时，上段柱间支撑承受的纵向力也经下段柱间支撑传给基础。
4、纵向水平地震作用全部由柱间支撑承受。
5、在现行的钢结构规范中明确规定了单层钢结构厂房和露天结构的温度区段的长度（即伸缩缝之间的距离），一般采暖和非采暖地区房屋，纵向温度区段长度不超过220m，热车间和采暖地区的非采暖房屋，纵向温度区段的长度不超过180m，露天结构的纵向温度区段的长度不超过120m。
如果由于各种原因，当结构的温度区段超出了规范的上述规定，就应该计算厂房的纵向温度应力对排架柱的内力的影响。
由于柱间支撑的刚度远远大于排架柱的平面外的刚度，因此，计算温度应力时的温度变形不动点的位置，主要取决于柱间支撑的布置。当温度区段内仅有一道下段柱间支撑时，支撑一般位于温度区段的中央，所以纵向温度变形的不动点可以近似的取柱间支撑的中间；当温度区段内设有两道下段柱的柱间支撑时，一般可以假定纵向温度变形不动点位于两道柱间支撑的中间点。
3.吊车梁系统的设计
厂房的吊车梁是厂房的纵向受力体系中的一个重要的组成部分，所以吊车梁系统的设计应符合厂房纵向结构体系的假定。吊车梁系统一般由吊车梁，制动结构、辅助桁架及支撑（水平支撑和垂直支撑）等组成。厂房的纵向吊车梁一般可以兼做纵向系杆的作用。
工程中常用的吊车梁为焊接实腹式吊车梁，一般设计成简支的结构形式。当吊车梁的跨度和吊车的起重量较小时，无需采用其他措施就可满足吊车梁侧向稳定的要求。如果吊车梁的跨度和起重量较大，这时就需设计吊车梁的横向制动结构。
当吊车梁位于边列柱，且吊车梁跨度≤12m，可以用槽钢作为制动结构的边梁。当重级工作制吊车梁的跨度＞12m或轻、中级工作制的吊车梁跨度＞18m时，就应该设置辅助桁架和下翼缘水平支撑系统，并且在适当的位置设置垂直支撑。垂直支撑的位置不宜设在吊车梁的竖向挠度较大处，一般设置在吊车梁两端的1/3处。
当吊车梁位于中列柱时，且柱的两侧均有吊车梁时，柱两侧的吊车梁就可以互为制动结构的边梁（此时，应以另一侧吊车梁的上翼缘作为本吊车梁的制动结构的边梁）。
吊车梁系统的设计一般包括吊车梁的设计，吊车梁制动结构的设计两部分。
吊车梁一般按两台最大起重量的吊车进行设计。根据吊车的轮距及车身的宽度在吊车梁上布置吊车车轮的最不利位置，按照影响线控制吊车梁的强度和变形。如果是中柱的吊车梁还应考虑作为柱的另一侧吊车梁的制动结构的边梁所受的影响。
吊车梁的水平制动结构也按两台最大起重量的吊车进行设计，一般分为制动桁架和制动梁两种结构形式。制动桁架用钢量较为节省，但是制作比较费工，还需另设走道板。制动梁结构虽然用钢量较多，但是传力明确，制作简单，并且可兼做走道板，所以是目前普遍采用的形式。
当厂房的高度较高时边柱吊车梁制动结构还可兼做抗风桁架，承受墙架传来的风荷载，此时，制动结构的辅助桁架还承受一部分墙皮的重量。
另外，进行吊车梁和辅助桁架的设计时还要考虑走道板传来的活荷载，该活荷载取值一般为2.0kN/m2 ，有积灰荷载时，还要考虑积灰荷载，一般可按积灰的厚度取0.3~1.0kN/m2 。
对承受重级工作制吊车的吊车梁还需进行疲劳验算。在进行疲劳验算时，只按一台最大吊车考虑（并且不计吊车的动力系数）。
吊车梁的计算一般来说比较简单，只需注意在各种吊车组合情况下正确绘制影响线，就可正确计算出在吊车的最不利布置情况下的吊车梁的应力和变形的结果。另外，还可采用PKPM系列结构分析软件中的STS模块进行吊车梁的分析。
4.吊车梁与排架柱的连接及其与纵向支撑系统的吻合
需要着重指出的是，吊车梁及吊车梁制动系统与排架柱的连接，应与厂房的纵向受力体系相吻合，这样才能做到构造与计算假定相符合，保证设计的正确性。具体来说有如下几点：
1)吊车梁与牛腿的连接。在吊车梁的设计中一般假定吊车梁在每个柱距间均为简支，为了满足吊车梁简支的计算假定，通常可采用两种连接构造方式得以实现：其一为凸缘支座，其二为平板支座。两种支座形式都能够保证把吊车梁固定在牛腿上，并且在小变形的条件下，吊车梁可以围绕支撑点自由转动，释放弯矩，是比较理想的铰支座的形式。
两种铰支座的计算应分别满足如下条件：
一般情况下，吊车梁可兼做厂房的下段柱顶的水平系杆，厂房山墙的风荷载、吊车的纵向刹车力、各种管道即支架的水平推力、纵向地震作用等都由吊车梁传递给柱间支撑，所以在带柱间支撑的跨间，吊车梁与牛腿连接所需要螺栓的数量应经计算确定，即：该连接所需的螺栓数量应能保证将上述的各种纵向作用及其组合传递给柱间支撑。
按照厂房纵向结构的受力模式，在一般跨间，排架柱沿厂房纵向不受水平力，所以吊车梁与排架柱的连接不必做强，只需按构造确定，一般为4M20即可。
按照如上所述进行设计，一般能保证计算与构造和设计假定相吻合，保证了设计的合理性，增强了安全性。
2)吊车梁制动结构与柱的连接通常采用高强度螺栓连接。通常可将吊车梁的上翼缘与制动结构的边梁看作制动梁的两个翼缘，将制动板看作是制动梁的腹板，所以吊车的横向水平刹车力在支座处（即排架柱的边缘处）产生的最大剪力近似可以由制动板全部承担，制动板与排架柱连接所需要的高强螺栓的数量按传递全部支座水平剪力计算。
3)梁端与柱的连接可分为板铰连接、高强度螺栓连接及焊接连接。焊接连接的耐疲劳的性能较差，重级工作制吊车梁宜采用前两种连接，其中由于高强度螺栓连接的施工较为方便，受力及耐疲劳的性能较好，所以高强度螺栓连接是目前用得比较普遍的连接形式。如前所述，吊车横向水平刹车力产生的最大支座剪力已由制动板的高强螺栓传递，梁端与柱连接处的高强螺栓数量可仅按一个吊车轮的最大水平制动力计算。通常这个力较小，所以，一般高强螺栓连接的数量仅按构造布置即可，即一般布置为4M20的高强螺栓。
4)吊车梁与制动结构的连接，当为重级工作制吊车梁时，上翼缘与制动板的连接应首先采用高强度螺栓连接，一般按构造用M20~M24以100~150mm等间距排列，如果吊车的起重量较大，螺栓的级别与间距应根据水平受弯构件传递剪力的原理通过计算来确定，具体计算如下：
根据材料力学原理，工字型截面的腹板边缘处的剪应力的计算公式为：
其中v为计算截面的最大剪力；
S为翼缘对中和轴的静矩
I为截面惯性矩
b为腹板的宽度
将单位长度上需要的螺栓数量看作剪应力τ则可得出制动板的高强度螺栓的间距的计算为：
这里Nmin 为一个高强度螺栓的承载力设计值，取抗剪或抗压承载力设计值中的较小值
I为整个制动梁对中和轴的惯性矩。
轻、中级工作制吊车梁的上翼缘与制动板的连接可采用工地焊接，一般按构造选用6~8mm沿全长搭接焊缝，当为俯焊缝时应为连续焊缝，为仰焊缝时可为间断焊缝。
5.基础设计需注意的问题
按照以上分析，普通排架式钢结构厂房与轻型钢结构厂房除柱间支撑柱跨外，其他排架柱或刚架柱均沿纵向（即在柱的平面外）不受水平力的作用，所以在基础设计时，只需要考虑排架或刚架平面内的水平剪力和弯矩（轻型钢结构刚架柱与基础的连接一般为铰接做法，所以只有刚架平面内的水平剪力），无需考虑另一方向的弯矩和剪力。
但是柱间支撑承受了全部的厂房纵向水平作用及荷载，因此柱间支撑跨间排架柱或刚架柱的基础必须设基础拉梁或考虑沿纵向的弯矩及剪力。一般情况下，在地震高烈度区由于地震的水平作用产生的剪力及弯矩较大，采用柱间支撑拉梁是较为合理和常见的形式，这时拉梁将柱间支撑跨间的两个柱基础连接在一起，共同受力，增强了基础平面外的整体性，拉梁承担上部柱间支撑传来的弯矩及剪力，基础的面积可以做得较小，而拉梁必须按梁端承受弯矩进行设计，拉梁的高度不宜太小，一般为柱间跨度的1/15~1/10，具体需视柱间支撑传来的剪力及弯矩的大小而定。
当在某种情况下由于生产设备或工艺的制约不能设拉梁时，柱间支撑所在跨间的排架柱或刚架柱的基础就应考虑厂房纵向作用的水平剪力及弯矩，在地震高烈度区或吊车的吊重较大或为重级工作制时，基础往往会做得较大。当然，在地震低烈度区、轻、中工作制吊车或轻型钢结构厂房往往水平荷载不是很大，在考虑纵向水平作用后，基础增加的面积不是很大，不设柱间支撑拉梁也是可以接受的。
6.结 语
通过对于钢结构设计中的一些经验的总结，，以便更好地完成结构设计工作，保证结构设计的安全、合理、经济、优化。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准 钢结构设计规范 （GB50017-2003） 北京 中国计划出版社 2003.
[2] 中华人民共和国国家标准 建筑结构荷载规范（GB50009-2005） 北京 中国建筑工业出版社 2005.
[3] 钢结构设计手册编辑委员会 钢结构设计手册 北京 中国建筑工业出版社 2006.
[4] 包头钢铁设计研究院、中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会 钢结构设计与计算 北京 机械工业出版社 2000.
（1.北京市工业设计研究院，北京 100055 2.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 100039 ）
