单层工业厂房双肢格构柱下柱人孔问题的研究

赵博

摘要：钢结构工业厂房在设置有参观走台时，厂房柱下柱将增设人孔。本文通过对于重型单层钢结构工业厂房格构式柱下柱人孔的定性分析，指出了目前常用处理方式的不合理性。通过对几种计算模型的杆系力学模型的结构分析，得出了作者对于此类型结构的初步定性分析结论，并提出了两种较为合理的处理方式建议。

关键词：钢结构单层厂房格构柱缀条人孔结构分析

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

一、背景

对于一般的重型单层工业厂房，目前绝大多数都采用钢结构形式，排架结构体系。而排架结构中的柱较多采用分段柱的形式，也就是平常所说的上、中、下柱等。作为主要承担上柱传下来的荷载以及吊车荷载的下柱，则多数采用双肢格构柱的形式。如图一所示：

图一中，缀条的主要作用是传递水平荷载，包括风荷载、吊车水平荷载等等。其工作原理与桁架结构的腹杆类似，以轴向力的形式传递荷载。由于钢结构本身抗轴压的能力比较好，因此缀条截面一般不会很大，绝大多数厂房的缀条截面都采用T型钢或角钢。

对于一般情况，采用缀条传递水平荷载，受力明确，构造简单，直接由缀条与柱肢构成桁架结构，将水平力以轴力形式传与基础。

但是，部分工业厂房内设置有参观走台。参观走台设置的标高较低，一般都在下柱标高范围内。因此，对于参观走台穿过厂房柱的情况，则需在下柱设置人孔。

当厂房柱下柱设置人孔时，则绝大多数情况不可避免的要打断缀条。这样造成了桁架结构的腹杆中断，也就造成了水平力的传递不能直接通过轴向力传递，而必须通过弯矩形式传递到下面的缀条上。这就对两个柱肢的刚度提出了更高的要求，必须要进行加强才能保证弯矩的有效传递。

对于这个问题，有一种普遍做法是在人孔处进行加强。以焊接H型钢为例：加强方式如下图二所示：

这种加强方式，将以弯矩的形式进行荷载传递。人孔部分得到足够加强，能够保证人孔部分有效承担和传递水平荷载所产生的弯矩。但是，当弯矩传至没有缀条节点的柱肢时，柱肢部分则也需要传递弯矩，并且在绝大多数情况下，是以型钢的弱轴方向承担。此时，柱肢的刚度相对人孔部分刚度突然下降，形成了刚度的突变点。在此种情况下，柱肢处能否有效传递和承受由人孔部分传递过来的荷载则有待研究。

二、分析计算

为寻求此类结构的受力特点，笔者计算了弹性状态下此类结构受到水平力作用下的整体受力情况。

1. 计算模型的简化

（1）将肩梁以上部分省略，以横杆缀条代替。（2）模型以杆系结构进行弹性分析。上述简化对于缀条及人孔部分以及柱肢的定性关系分析是没有过大影响的。

2. 计算荷载及截面设定

（1）水平力100；（2）柱肢平面内抗弯刚度1；（3）缀条抗弯刚度0.2；（4）人孔各加强区域抗弯刚度均为6。

3. 计算结果及分析

按照上述的计算模型及假定，笔者计算了三种情况下厂房下柱的弯矩及轴力内力图，以期进行定性的分析。

第一种情况（图三、图四）：仅在人孔处进行加强处理。其中，在图三（计算模型1）中，人孔上下与没有缀条节点的处的柱肢连接以铰接节点模型计算。图四（计算模型2）中，人孔上下与没有缀条节点的处的柱肢连接以刚接节点模型计算。

从图中计算结果可以看出，虽然图三中，只在人孔加强区域产生弯矩，而柱肢、缀条也只有轴力传递。但是，由于柱肢与人孔为铰接连接，势必将产生相对转动。这对于柱肢来说是不可接受的，将直接导致柱肢变形过大而引起整个结构体系的破坏。

而图四中，柱肢刚接连接部分产生较大弯矩，甚至大于人孔加强区域。而一般在工程中，柱肢平面外方向的抗弯性能较差，将难以抵抗产生的过大弯矩。从本模型的截面定义来看，这样的弯矩分配也是不合理的。

若将人孔上下与没有缀条节点的处的柱肢进行加强，抗弯刚度调整为6，则弯矩图为图四中“（4）弯矩图2”所示。此时，弯矩的分布比较均匀，柱肢由于加强了刚度，也能抵抗产生的弯矩。

第二种情况（图五）：将人孔上下与柱肢连接处均设置缀条。虽然此时此处的节点也为铰接，但由于增加了缀条，则不会产生过大的转动。而此时，弯矩也将只产生于人孔加强部位，柱肢及缀条均只传递轴力，受力也将更为合理。

三、建议

从以上分析中可以看出，常用的仅在人孔处进行加强的方式，无论按照柱肢与人孔加强区域铰接连接还是刚接连接的模型来进行计算，这种处理方式都有其不合理性。若按照铰接连接，则会由于柱肢过大的相对转动而引起整个结构体系的失效；若按照刚接连接，则柱肢会因为平面外方向抵抗不了过大的弯矩而破坏。

因此，笔者建议，在处理此类问题可采用以下两种方式：

（1）人孔处进行加强处理，同时在人孔与柱肢连接处没有缀条部分，将柱肢弱轴采取加强措施，以保证柱肢平面外刚度足以抵抗水平力所产生的弯矩。如图六所示。对于焊接H型钢或者槽钢类的开口构件，可采用内外焊接T形钢或T形钢板的形式。

（2）人孔处进行加强处理，同时增加柱肢缀条，以保证水平力以轴力的形式可靠传递，并可起到限制柱肢转动的作用。如图七所示。

四、结论

对于单层钢结构工业厂房，若出现双肢柱下柱需要增设人孔或其它打断连续缀条的情况，仅仅对于打断部分的局部进行加强处理并非妥当。

在进行局部处理时，除需要考虑局部范围内的截面刚度外，尚需考虑与之相关联部分的受力及整体结构体系情况，并进行整体结构分析。根据整体分析计算的结果来采取相应有效的处理措施。

本文中，仅仅对于双肢柱下柱开人孔情况的加强处理方式进行了定性的分析。对于实际工程中与之相同或类似的情况，尚需进行更为细致的定量计算分析来进行有效的处理。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。