结构支撑体系设计

门式刚架结构的支撑体系

轻型门式刚架结构沿宽度方向的横向稳定性，是通过设计适当刚度的框架来抵抗所承受到的横向荷载而保证的。由于在长度方向的纵向结构刚度较弱，于是需要沿纵向设置支撑，以保证其纵向稳定性。支撑系统的主要目的是把施加在纵向结构上的风、起重机及地震等荷载从其作用点传到柱基础，最后传到地基。轻型门式刚架结构的标准支撑系统有斜交叉支撑(图1)、门架支撑(图2)和柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑(图3)。

图1 交叉支撑

图2 门架支撑 图3 柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑 支撑结构及其相连的两榀主刚架形成了一个完全的稳定开间，在施工或使用过程中，它都能通过屋面檩条或系杆为其余各榀刚架提供最基本的纵向稳定保障。

作用在山墙上的风荷载由支撑传递到基础的路径，如图4所示，交叉支撑需要克服杆件本身的自重和外力引起的轴力。预张力圆钢通过预张力克服自重，其他截面杆件则通过截面本身的抗弯性能来平衡自重产生的弯矩。

支撑的设计具体包括支撑形式选择、支撑布置、支撑杆及支撑连接设计四个方面。

一、支撑承受的荷载

1、纵向风荷载

结构纵向的风荷载实际的传为路径有两部分:大部分通过存在支撑的跨间传到基础力，如图4所示;另外一部分荷载则由檩条系统作用到结构中部的各榀刚架，并依靠刚架本身的平面外刚度传递至地面。但在设计中，中间跨的分担作用比较小，并且计算工作量大，如果考虑檩条受压，还会增加檩条设计的复杂性，所以通常认为支撑承担了所有的纵向风荷载。

支撑

图4 山墙风荷载传递路径 2、檩条系统的传力

檩条和隅撑为主刚架的构件提供平面外的抗侧力，如图5所示。结构的所有檩条和隅撑的这种抗侧力叠加起来，最后由两端的支撑来平衡。这部分合力的具体数值很难通过简化模型准确计算得到，而且与纵向风荷载相比也比较小，在支撑设计中通常可以忽略不计。但在檩条和隅撑的平面外支撑作用比较显著时，也会给两端支撑带来不利影响。所以在支撑设计时，常常要

求留有一定的余量。

图5 檩条和隅撑为构件提供支撑力

二、交叉支撑

交叉支撑是轻型钢结构建筑中，用于屋顶、侧墙和山墙的标准支撑系统。交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种。

1、柔性支撑

柔性支撑构件为镀锌钢丝绳索、圆钢、带钢或角钢，由于构件长细比较大，几乎不能受压。在一个方向的纵向荷载作用下，一根受拉，另一根则退出工作。设计柔性支撑时可对钢丝绳和圆钢施加预拉力，以抵消自重产生的压力，这样计算时可不考虑构件自重。

2、刚性支撑

刚性支撑构件为方管或圆管，可以承受拉力和压力。

柔性支撑和刚性支撑的工作机理如图6所示。

三、支撑平面的设置

由于檩条对屋面梁的平面外支撑力的合力最后由支撑系统来平衡，这样就要求支撑平面尽量地靠近檩条所在的平面，以避免整个屋面纵向传力系统出现偏心。

对于十字交叉的剪刀撑来说，如果杆件选用张紧的圆钢，就可以在腹板靠近上翼缘打孔，或直接在上翼缘焊接连接板作为连接点来实现，如图7(a)所示。如果选用角钢，连接板仍然可以焊接在上翼缘，那么由于在交叉点杆件必须肢背相靠，如图7(d)所示，这时要求在檩条和上翼缘之间留有比较大的空间，如图7(b)所示。为克服该情况的出现，连接板可以被焊接在梁腹板的中间，以便于设计和安装，如图7(c)所示。

图6 刚性支撑和柔性支撑

图7 支撑平面的布置

四、支撑布置方式

十字交叉的支撑布置[图8(a)]，对张紧的圆钢比较适合;对角钢来说会增加支撑平面的厚度[图8(c)];对钢管则需要在连接处截断其中的一根杆件，给施工带来麻烦，如图8(d)所示。所以对具有一定刚度的圆管和角钢，可以使用对角支撑布置，如图8(b)所示。这种对角支撑的布置形式外观简洁，容易制作，但在搭建过程中比较容易失稳，需要增设额外的施工支撑系统。

图8 交叉支撑

图9(a)～(d)代表典型的四种常用支撑布置形式。图中虚线表示连接中间各榀刚架的屋面系杆，这些系杆通常可以被省去而直接利用檩条及屋面板替代。事实证明，由檩条和屋面钢板组成的外蒙皮;具有足够刚度作为刚架面外的支撑。

图9 支撑布置形式

在端开间需要开门或有别的净空要求，或者山墙所在的刚架构造比较复杂而不便直接与支撑相连时，可以把支撑放在第二个开间，如图9(c)、(d)所示。理论上檩条仍可以传递两榀刚架的平面外荷载，但为保证主结构的独立性，要求在端刚架和第二榀刚架间使用系杆连接而不是用擦条代替，这样即便是维护体系(檩条和压型钢板组成)破坏，主结构也不会发生整体的垮塌。

图10 拉杆的位移应力曲线

五、张拉圆钢支撑杆

张拉圆钢交叉支撑在轻钢结构中使用最多。由于杆件是利用张拉来克服本身自重从而避免松弛，所以预张力对支撑的正常工作是必不可少的。张拉力的大小一般要求控制在截面设计拉力的10%～15%，但由于在实际施工中没有测应力的条件，所以一般通过控制杆件的垂度来保证张拉的有效性。

拉杆相对位移与杆件应力的关系如图10所示。当垂度达到L/100后，相对位移和应力很快成线性关系并接近材料的应力应变关系，这说明当垂度克服了L/100的限值后，拉杆开始充分发挥其抗拉性能。

为达到L/100的垂度控制，拉杆预张拉应力可以达到设计的10%～15%，那么在工作状态下实际承受的拉力应该是风荷载作用下产生的拉力和初张力的叠加。正由于初拉力比较难测，所以在拉杆与拉杆连接的设计中需要留出20%左右的余量以避免材料屈服。

六、角钢、钢管支撑杆

由于难以施加预张力，这些杆件需要完全依靠本身截面的抗弯性能来克服自重产生的弯矩，但自重的影响会随着拉力的增加而逐渐削弱，所以可以把这类杆件仍旧作为拉杆设计而不考虑其自身自重。为避免松弛，同时从外观角度出发，要求角钢或钢管拉杆的垂度不超过杆长的

1/150～1/100。这样的垂度要求通过限制杆件的最小截面来实现，表1和表2列出了在不同杆长下，对角钢及钢管拉杆最小截面尺寸的要求。我国现行钢结构规范GB50017中对受拉杆件长细比