多层钢结构厂房框架柱平面内计算长度研究(全文)

多层钢结构厂房框架柱平面内计算长度研究

何喜洋1 黄长华 宋 扬

（广东省电力设计研究院，广州，510663）

摘 要：多层钢结构厂房是火电、核电工程主厂房常用的结构形式。对于钢框架结构设计，我国的钢结构设计规范采用的是计算长度设计法；由于荷载工况和荷载组合的复杂性，对主厂房采用考虑二阶效应的非线性分析方法还有一定难度。本文在总结各种钢框架柱计算长度系数算法的基础上，从计算长度系数的定义出发，通过三种有代表性的计算长度分析模型的比较研究，提出了一种适用于火电、核电工程钢结构主厂房框架柱计算长度确定方法。该方法考虑了（包含重力二阶效应的）模型的几何非线性效应和荷载分布情况对计算长度的影响，并能与主厂房建模过程紧密结合，也符合工程设计简单、便利的原则。最后，本文通过某核电工程常规岛主厂房框架柱计算长度实例分析，阐明了本文提出的方法和步骤，获得了一些有益的结论，供设计人员参考。

关键词：多层钢结构厂房；计算长度；整体稳定；线性屈曲；临界荷载

Frame Column Plane Effective Length Study on Multiple-Storey Steel Plant

HE Xiyang 1 HUANG Zhanghua SONG Yang

（Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou, 510663, China）

Abstract: Multiple-storey steel plant is a general structural system of thermal and nuclear power plant. For steel frame structure design, effective length design method is adopted by steel structure design code in our country; because of the complexity of load case and load combination, it is difficult to use nonlinear analysis method considering two order effects to analyze the plant. In this paper, all kinds of method to calculate the effective of frame column are summarized, starting with the definition of effective length, three representative model are studied and compared with each other, a new method to decide the effective length of thermal and nuclear plant frame column are proposed by the author based on comparison and study. Influence of Geometry nonlinear including gravitational two order effect on effective length is considered in this method, the method is convenient and closely associated with the modeling process. At the end of this paper, an example to calculate the effective length of nuclear plant column is used to describe the steps of the method mentioned above, good effects, which are a useful reference for civil engineer, are acquired during this example.

Keywords：Multiple-storey steel plant; effective length; integral stability; linear buckling; critical load

前 言

多层钢结构厂房是火力发电厂主厂房和核电站常规岛常用的结构形式。要做出安全、经济、合理的钢结构设计，除了把握好工艺要求和结构布置以外，还应重视设计分析方法和构造要求。钢结构设计方法的关键在于如何理解和确定柱子的计算长度。我国现行的钢结构设计规范采用的是计算长度设计法，缺点是：无法反映结构的整体稳定性；计算长度在设计软件上难于应用。因此，计算长度设计法遭到不少的批评[1]。实际结构的布置和荷载情况往往复杂多样，而柱的计算长度确定时，这些因素却都被计算假定所消除；我们在内力分析的时候是弹性分析，而构件和截面的设计却采用了利用材料塑性性能的方法[1]。作为钢结构设计的首

第一作者简介：何喜洋（1979-），男，工学硕士，主要从事火力发电厂土建结构设计工作.

要方法，这难免会引工程师的怀疑。因为计算长度系数法的缺点，加拿大钢结构规范取消了计算长度法而改为采用二阶分析方法。然而，文献[1]又指出，满足平衡条件且不违背屈服条件的情况下得到的承载力是实际结构承载力的下限，设计人员担心安全度不足的顾虑可以消除。基于这样一种简单明了的原则，计算长度法被我国规范采用至今。

我国规范[2]给出了高层民用建筑钢结构框架柱以及单层厂房变截面柱子计算长度的计算公式（超越方程）和表格；文献[3]研究了厂房框架带牛腿柱的计算长度，提出了实用的简化计算公式；文献[4]论述了考虑重力二阶效应进行结构二阶内力分析与柱计算长度的关系；文献[5]采用位移法进行了某特殊构筑物柱计算长度的解析分析，给出了计算表格；文献[6]推导了侧移和无侧移钢框架柱计算长度系数的公式,并对计算长度系数的公式进行了修正。在数值分析方面，文献[7]和文献[8]利用屈曲分析来进行柱计算长度的确定，论述了三种实用的计算方法。

由此可见，计算长度仍然是我国钢结构设计的焦点话题。然而，研究多层钢结构厂房柱计算长度的文献很少。对于多层钢结构厂房框架柱平面内的计算长度，规范未做出明确的要求，需要工程师根据实际情况自行分析确定。多层钢结构厂房由于结构布置的复杂性，导致实际情况难于采用理想的解析模型来获得长度系数的表达式或方程，因此，研究多层钢结构厂房柱计算长度需要采用数值分析方法。本文则旨在从计算长度系数的定义出发，通过三种有代表性的计算长度分析模型的比较研究，提出了一种适用于火电、核电工程的多层钢结构主厂房框架柱计算长度确定方法。

1 计算模型

柱计算长度的定义首先来自等截面理想轴心受压构件的弯曲屈曲，此时，柱计算长度的物理意义是反弯点间的距离。如果独立柱的临界荷载为N cr ，对应的两端铰接的理想轴心受压构件的临界荷载为N E ，则计算长度系数为两临界荷载比值N E : N cr 的平方根。在多高层钢框架结构中，柱计算长度系数的概念同样可以按此

加以推广，此时柱计算长度的物理意义则更为突出地表现为柱的侧移刚度[1]。

按照文献[7]的说法，柱计算长度的确定有三种方法：整体模型法、独立构件模型法、局部实体有限元分析法。本文也打算采用三种方法（独立柱子法，归结为方程的特征值问题；整体线性屈曲法，归结为矩阵的特征值问题；几何非线性法，归结为非线性代数方程组的求解问题）来确定算例中的框架柱在平面内的计算长度系数，从计算假定和计算结果的比较中进行分析论述，并结合工业建筑设计的工程实践经验推荐采用第三种方法。

选取的算例为某大型核电站常规岛主厂房，主框架柱上柱截面WH1800×900×50×80；下柱截面WH 2800×900×70×80；上柱高度15.42m （从屋架下弦算起），下柱高度14.58m ；控制工况下，上、下柱轴向压力之比约为1：20；主要楼层有6.50m 、15.0m 和25.0m 三层。总的特点是：荷载种类繁多，组合复杂；屋架跨度大，屋架与上段柱刚接，吊车竖向荷载大；整体结构与汽轮发电机基础（机岛）分离，各楼面梁与机岛之间采用滑动连接。这些特点有的体现了多层钢结构主厂房的一般性，有的体现了该工程的特殊要求；然而，从后面的分析比较中我们发现，这些特点都是规范的计算长度系数公式和表格所不能体现的。

2 独立柱子模型

独立柱子模型的分析对象是单根柱子，此方法显然是来自两端铰接的理想轴心受压构件，不同之处在于独立柱子模型的两端约束条件除了铰接以外还可以是固定端、滑动等等多种情况（图1）。按照图1所示的计

算模型，可以采用初参数法获得下段柱的计算长度系数的超越方程[9]：

11122tan tan 0K πηπημμ+⋅=， 12121I H K I H =⋅，

1η= （1） 其中1H 和2H 为分别为上段柱和下段柱高度；1N 和2N 分别为上段柱和下段柱的轴向压力；1I 和2I 分别为上段柱和下段柱截面的惯性矩；为下段柱的计算长度系数。方程（1）实际上就是我国《钢结构设计规范》附录