抗风柱的设计理念与建议

抗风柱的设计理念与建议
王崇帅1,周光华2
摘要：抗风柱是排架结构或门式刚架结构中支撑山墙墙板抵抗水平风荷载作用的主要构件。抗风柱的上端与刚架梁相连，下端设置单独的基础。抗风柱的设计方法和构造措施不但影响到抗风柱本身的受力特点，而且影响到与之相连的刚架、屋面支撑和基础的设计与受力。
关键词：抗风柱，山墙，铰接，刚接。
前言：在工业厂房设计中，承担厂房山墙墙板承受的风荷载需要设置抗风柱，抗风柱是厂房支撑山墙抵抗水平风荷载作用的主要受力构件。但是由于规范、规程在抗风柱设计方面没有明确的设计规定，因此对抗风柱的设计理念说法不一。不同的节点做法不仅仅影响到抗风柱本身的受力，也对与之相连的屋面结构和基础影响较大。基于上述原因，本文对抗风柱的设计方法进行探讨，论述了一些抗风柱的设计理念与建议。
一、山墙抗风的主要结构形式山墙抗风形式主要有两种；一种是采用抗风柱与抗风梁或抗风桁架的组合，另一种是抗风柱及其屋面结构的组合。第一种结构形式在较高厂房中比较普遍，这种是把山墙柱的水平风荷载通过抗风桁架传给纵向的框架及排架，其优点是充分利用了框架及排架柱的纵向刚度，从而减小山墙柱的截面尺寸。缺点是当采用抗风梁时，抗风梁截面很大，总体而言不经济。当采用抗风桁架时，抗风桁架占据了厂房空间，致使主厂房吊车的有效起吊范围变窄，而且抗风桁架安装的精度要求很高。随着社会经济的发展，钢结构越来越多地应用于各种工业与民用建筑房屋中，山墙抗风柱大多采用钢柱。钢柱与屋面结构共同承受山墙水平风荷载是现阶段用得最广泛的形式。它考虑了屋架对钢柱的约束作用，充分利用屋架承受一部分水平风荷载的作用。
二、抗风柱有两种布置方法
1、按传统抗风柱布置。即抗风柱柱脚与基础铰接(或刚接)，柱顶与屋架通过弹簧片连接。按这种布置方法，屋面荷载全部由刚架承受,抗风柱不承受上部刚架传递的竖向荷载，只承受墙体和自身的重量和风荷载,成为名副其实的“抗风柱”。
2、按门式刚架轻钢结构布置。即抗风柱柱脚与基础铰接(或刚接)，柱顶与屋架铰接。按这种布置方法，屋面荷载由刚架及抗风柱共同承担。抗风柱同时承担竖向荷载和风荷载。对于第一种布置方式，抗风柱就可以按两端简支的梁考虑，承受计算宽度内的均布风荷载。计算长度可以按支承情况分别取值。对于第二种布置方式，抗风柱就需要按双向受压的压弯构件考虑，在抗风柱平面内承受计算宽度内的均布风荷载，同时还受轴向压力。
第一种布置方式在社会中普通使用。第二种布置方式有些钢结构企业也会使用。因边框架受荷面积较小，屋面荷载较小，故抗风柱所受轴力不大，与只受风荷载的抗风柱相比没有很大区别，用钢量不会增加多少。但同时会带来一个问题，就是边框架与中间框架的变形相差比较大，屋面板最后使用能适应大变形的锁缝板来弥补。
三、抗风柱柱脚与柱顶连接方式
1、抗风柱的柱脚节点分刚接和铰接两种形式。铰接时,基础只承受较小的轴力与剪力，设计和构造件简单。抗风柱传递给基础的轴力只有抗风柱本身的重量和相邻山墙墙板的重量。如果采用刚接,传递给基础的弯矩和轴力要大得多,偏心距非常大,不利于基础的设计。但抗风柱比较高的时候，如果柱脚还采用铰接模式，抗风柱截面将很不经济，这时候可以做成刚接柱脚、或者设置抗风桁架。
2、抗风钢柱与屋架的连接形式分为：铰接和弹簧板连接。但是铰接传递的屋面桁架竖向力会造成屋面桁架变形不协调的问题，不利于桁架的受力。因此，抗风钢柱柱顶一般是通过弹簧板与屋架上、下弦相连，然后通过边跨两榀屋架之间的刚性系杆和支撑最终传给两榀屋架所在的框架或排架柱的四个牛腿上。由于屋架锚栓不承受水平剪力的作用，故须在端部两榀屋架的支座底板下设置抗剪键来承受山墙传来的水平剪力。并且端部两榀屋架的上下弦水平支撑及刚性系杆除应满足长细比要求外，还应能承受由山墙传来的水平风荷载。弹簧板由一块钢板折叠而成，竖向刚度很弱，上部屋架可以自由变形，节点不传递竖向力，在水平方向弹簧板有一定的刚度，能够保证水平荷载的传递。
四、按两端简支梁考虑抗风柱设计
抗风柱按两端简支梁考虑时，铰接端只传递剪力和轴力，抗风柱承受计算宽度内的均布风荷载与山墙墙面竖向荷载，计算长度可以按支承情况分别取值。这种设计方法简单实用，对于一般的单跨两端山墙封闭单层厂房抗风柱计算可优先考虑此种方法。
1、荷载计算：竖向荷载只考虑山墙墙面的荷载。风荷载按照《建筑结构荷载规范》7.1公式计算。
2、内力分析

抗风柱分析模型
抗风柱的柱脚和柱顶分别由基础和屋面提供竖向及水平支撑，分析模型如上图。通过受力分析可得到构件的最大轴压力与均布风荷载，同时求得构件所承受的最大弯矩。
五、结论
由于规范、规程在抗风柱设计方面没有明确的设计规定，本文通过对抗风柱不同的布置
方法与连接方式进行比较，从而分析了抗风柱在各种设计方式下的利弊。实际工作中，抗风柱的设计还要根据具体工程来进行具体分析，以保证设计的合理性与经济性。

参考文献：
[1] 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）
[2] 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）