浅议门式刚架中梁柱平面外计算长度的取值

浅议门式刚架中梁柱平面外计算长度的取值
摘要：门式刚架的破坏和倒塌在很多情况下是由受压最大翼缘的屈曲引起的，对门式刚架梁和柱平面计算长度取值就不容忽视了。

在工程界一般认为加隅撑的檩条可以作为门式刚架斜梁的侧向支撑。

其实这种做法只能应用在特定的条件中。

而钢架柱平面外取通长系杆间距作为其平面计算长度很多时候又不太经济。

既然有墙梁和墙板，我们为何不利用墙梁和墙板建立一个平面外几何不变体系，以墙梁和内翼缘隅撑来减小柱平面外的计算长度，这种设计节约了相当量的钢材。

关键词：钢架计算长度支撑
在门式刚架设计中，平面外计算长度通常以支撑点作为取值依据。

这句话大家是看法是一致的。

但是支撑点如何定义，如何取值，那就仁者见仁智者见智了。

下面分别讨论门式刚架结构中梁和柱平面外计算长度如何正确取值。

一、讨论钢梁平面外计算长度如何取值，门式刚架的破坏和倒塌在很多情况下是由受压最大翼缘的屈曲引起的，可见钢梁平面外计算长度正确取值直接影响结构的安全问题。

目前在工程设计上对钢梁平面外计算长度取值大致有两中做法。

第一做法是钢梁平面外计算长度取隅撑的间距，第二做法是钢梁平面外计算长度取屋面水平支撑与钢梁交点的间距。

钢梁平面外计算长度取隅撑的间距的做法很多时候是偏于不安全的。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）6.1.6条第三款：当实腹式钢梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘侧面布置隅撑作为斜梁的侧向支撑，隅撑的另一端连接在檩条上。

此处提出隅撑可作为钢梁平面外侧向支撑点。

我们再看《钢结构设计规范》（GB50017-2003）4.2.1条可知侧向支撑点必须能阻止钢梁受压翼缘的侧向位移。

综合这两本规范和规程可知：
隅撑可作为钢梁平面外侧向支撑点的前提条件是隅撑必须能阻止钢梁受压翼缘的侧向位移。

目前很多钢结构施工单位在隅撑制作时考虑施工过程中误差，特意将隅撑角钢两端的螺栓孔制成长圆孔，而设计单位设计时隅撑角钢与钢梁和檩条连接一般都是采用M12的普通螺栓连接的。

不难想象这样的连接本身就是可以滑移的无法阻止钢梁受压翼缘的侧向位移。

假如隅撑角钢两端的螺栓孔制成直径14mm的圆孔限制位移是不是就能将隅撑可作为钢梁平面外侧向支撑点呢？也不一定的。

隅撑是连接在檩条上的，只有当檩条没有位移的情况下隅撑才能保证无侧移。

这就要求整个屋面檩条系统是一个刚性的整体；并且要求屋面有完整的支撑系统来保证这个屋盖为不变体
系。

当采用高波型扣合式屋面板时，屋面与檩条为滑动连接屋面檩条系统无法构成一个刚性的整体。

所以此时隅撑不可作为钢梁平面外侧向支撑点。

当采用低波型屋面板，屋面板与檩条采用自攻钉连接时，屋面檩条系统可构成一个刚性的整体。

所以此时隅撑可作为钢梁平面外侧向支撑点，一般隔一根檩条设置一个隅撑，隅撑间距约3米，此时工程设计时钢梁平面外取3米是合适的。

钢梁平面外计算长度取屋面水平支撑与钢梁交点的间距这种做法很多时候过于保守。

我们知道屋面水平支撑系统是几何不变体系，肯定能阻止钢梁的侧向位移，安全是没有问题的。

屋面水平支撑间距很大一般是6.0米，钢梁截面需要设计的很大才能满足，大大加大结构用钢量，根据以上讨论可知屋面板与檩条采用自攻钉连接时，此时隅撑可作为钢梁平面外侧向支撑点，我们可以减小钢梁平面计算长度，减小钢梁截面，节约钢材。

在结构设计中，其实钢梁上下翼缘都会受压，都有其各自的平面外计算长度，应该分别取值，但目前常用的计算软件PKPM中只能输入一个钢梁平面外计算长度，所以我们要按上下翼缘的平面外计算长度的较大值输入软件计算。

下翼缘的平面外计算长度是通过隅撑保证的，只要当上翼缘无侧移时下翼缘的隅撑才能作为侧向支撑。

屋面板与檩条采用自攻钉连接时，此时隅撑可作为钢梁下翼缘平面外侧向支撑点，檩条可作为上翼缘平面外侧向支撑，此时我们就取隅撑间距输入软件计算即可。

当采用高波型扣合式屋面板时，钢梁上翼缘平面外计算长度取屋面水平支撑与钢梁交点的间距，下翼缘相应位置设置隅撑，此时我们取屋面水平支撑间距输入软件计算即可。

二、讨论钢柱平面外计算长度如何取值，这个问题上大家争议很少，主要原因在于大家一般都取通长系杆作为钢柱的平面外支撑点，按规范设置柱间支撑、通长刚性系杆（压杆），压杆与，柱间支撑共同构成平面不变体系，承受纵向水平力，作为刚架柱平面外的反弯点，可以视作刚架平面外铰支座，所以钢架柱平面外的计算长度可以取两个压杆间距离。

在工程设计中大部分工程师也是这样操作的，这种做法安全是没有问题的，但是很多时候设计是可以继续优化的，减小截面的。

柱的平面外计算长度应该分有桥式吊车和无桥式吊车两中情况来确定。

（1）有桥式吊车
上柱：取上柱支撑与柱连接点的距离即上柱长度；
下柱：取下柱支撑与柱连接点的距离即下柱长度；
因为有桥式吊车柱子受力较大，平面内计算需要的截面已经比较大了，很可能是平面内受力控制截面取值，一般设计时我们不再优化平面外计算长度，
取支撑点间距对用钢量影响不大。

（2）无桥式吊车
1）取柱支撑和柱连接点的距离即通长系杆间距
2）与钢梁一样考虑，考虑墙墙梁与墙面板共同作用，并且设置在钢柱内翼缘设置隅撑，一般隔一根墙梁设置一个隅撑，钢柱的平面外计算长度取隅撑间距，一般取3米。

我们主要讨论无桥式吊车钢架中柱的平面计算长度的取值，取通长系杆间距安全没有问题，如果取钢柱内翼缘隅撑间距的做法是安全的就可以大大减小钢柱平面外计算长度，减小钢柱截面，很多人对取钢柱内翼缘隅撑间距作为钢柱平面外计算长度的做法不赞同。

认为这种做法没有根据，不安全。

其实在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）10.1.4条提到实腹式刚架梁和柱在刚架平面外的计算长度，应取侧向支承点间的距离，侧向支承点间可取设置隅撑处及柱间支撑连接点。

其条文说明提到作为侧向支承点的檩条、墙梁必须与水平支撑、柱间支撑或其他刚性杆件相连，否则，一般不能作为侧向支撑点。

但当屋面板、墙面板采用压型钢板、夹芯板等板材，而板与檩条、墙梁有可靠连接时，檩条、墙梁可作为侧向支承点。

可看出只要墙面板采用压型钢板、夹芯板等板材，而板与檩条、墙梁采用自攻钉可靠连接时，墙梁可作为侧向支承点，此时取钢柱内翼缘隅撑间距作为钢柱平面外计算长度是安全可行的。

一般工程中墙面采用压型钢板维护时，都是采用低波型钢板，都采用自攻钉连接。

同钢梁一样，在结构设计中，其实钢柱内外翼缘都会受压，都有其各自的平面外计算长度，应该分别取值，但目前常用的计算软件PKPM中也只能输入一个钢柱平面外计算长度，所以我们要按内外翼缘的平面外计算长度的较大值输入软件计算。

当采用低波型钢板，采用自攻钉连接时，内翼缘的平面外计算长度是通过隅撑保证的，墙梁可作为外翼缘平面外侧向支撑，此时我们就取隅撑间距输入软件计算即可。

当无墙面板时或墙面板与墙梁无可靠连接时，此时我们就应该取通长系杆间距输入软件计算。

三、小结
综上所述可得出以下三点结论：
1、设计钢梁时不能简单的以隅撑作为平面外计算长度取值依据,设隅撑仅保证梁下翼缘或柱内翼缘受压力作用下的稳定,不能对平面外构件受力产生约束,也不能约束平面外的位移,所以不应作为侧向支撑点而作为平面外计算长度的
取值依据。

只有当屋面板采用压型钢板、夹芯板等板材，而板与檩条有可靠连接时，并且屋面有完整的支撑系统，檩条才可作为侧向支承点。

2、无桥式吊车的钢架柱的隅撑应根据具体情况来设置。

当钢柱高较大时，应该分段进行平面外稳定性验算，此时应根据柱高设几道隅撑。

当墙面板采用压型钢板、夹芯板等板材，而板与墙梁有可靠连接时，并且有完整的柱间支撑系统，墙梁和隅撑间距可作为侧向支承点平面外计算长度。

3、在门式刚架结构中，当利用隅撑作为屋面钢梁和钢柱侧向支撑点时，应该具备5个条件：
1）按规范设置屋面水平支撑、柱间支撑、屋面刚性系杆（压杆）。

2）屋面水平支撑、柱间支撑、屋面刚性系杆三者必须构成封闭体，以保证平面外具有相对足够大的刚度体系。

3）隅撑与屋面檩条或墙梁间的连接必须构成三角形，即此处螺栓连接孔不能采用长圆孔。

4）隅撑必须满足规范中强度和稳定性要求。

5）屋面板或墙面板必须与屋面檩条或墙梁可靠连接（自攻钉连接）。

参考文献：
1、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）
2、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
3、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）
4、《钢结构设计手册》（第三版）。