门式刚架水平支撑和柱间支撑内力计算分析研究
（总第８９期）２００４年第４期
福 建 建 筑
Ｆｕｊｉａｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
Ｖｏｌ：８９Ｎｏ３．２００４
门式刚架水平支撑和柱间支撑内力计算分析研究
卢伟煌
（福建省建筑设计研究院 ３５０００１）
摘 要： 本文把门式刚架、水平支撑和柱间支撑组成的结构体系力学模型，看成是一个空间单层网壳，其中，门式刚架的柱和斜
梁作为梁柱单元， 水平支撑和柱间支撑作为二力杆单元，与柱和斜梁铰接连接；采用浙江大学建筑工程学院的设计软件ＭＳＴＣＡＤ对其受力机理进行分析研究，并用一个实例说明支撑结构的内力分布规律。
关键词：门式刚架 支撑 斜拉杆 直腹杆 纵向系杆
中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－６１３５（２００４）０４—００３３—０２
Ｒｅｓｅｒｃｈ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｂｒａｃｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｒ－ｃｏｌｕｍｎ ｂｒａｃｉｎｇ ｏｆ ｐｏｒｔａｌ ｆｒａｍｅ
Ｌｕ ｗｅｉ ｈｕａｎｇ（Ｆｕｊｉａｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｆｕｚｈｏｕ３５０００１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： The mechanical model of structural system that is made up of portal frame, horizontal brace and inter-column brace is considered as
space one-layer reticulated shell in this paper. Columns and oblique beams of portal frame are used as beam-column elements. Horizontal brace and
inter-column brace are taken as two-force beam elements. Design software MSTCAD of architecture engineering institute of Zhejiang Universityis used to analyze structural mechanical characteristics. An example is used to explain distribution of internal forces of brace structures.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：portal frame bracing diagonal tension brace strut longitudinal strut
一、水平支撑和柱间支撑的受力模型和设置：
在钢结构的门式刚架设计中，水平支撑和柱间支撑在设计人员眼里属次要构件，不引起重视，其实水平支撑和柱间支撑关系到整个结构的稳定和安全，而且还承受纵向的水平力，如有吊车， 柱间支撑还承受吊车的纵向制动力，因此，应根据结构及荷载的不同情况设置可靠的支撑系统。
对于门式刚架横向是依靠刚度较大的横向框架来抵抗水平荷载，其纵向属铰接体系，依靠柱间支撑来传递纵向水平力荷载，水平支撑和柱间支撑的受力模型，实际上是一个空间桁架，水平支撑是一个水平桁架，柱间支撑是一个竖向桁架，是水平桁架的支座；纵向的水平力通过纵向系杆传给各榀水平支撑，再经过支座传给柱间支撑，最后传到基础。了解了水平支撑和柱间支撑的受力模型，因此，在设置水平支撑和柱间支撑时，就必须把水平支撑和柱间支撑设置在同一纵向跨内，且第一道支撑和最后一道支撑必须设置在纵向第一跨和最后一跨内。什么时候设置刚性支撑，什么时候设置柔性支撑，这主要起决于这结构承受荷载的大小，对于有中、重型吊车的结构，采用刚性支撑，对于轻型门式刚架，可采用柔性支撑。
对于支撑和纵向系杆的内力计算规范无明确规定，一般情况下根据门式刚架轻钢规程［２］将两端山墙风荷载加在一起，除以支撑道数，即得到每榀屋面水平支撑和柱间支撑所受的荷载，这种计算方法下面简称方法１。
按照方法１，每榀水平支撑和柱间支撑的内力是相同的，纵向系杆的内力是无法计算出来的。为了弄清支撑内力分布情况，本文把门式刚架、水平支撑和柱间支撑的受力模型看成是一个空间单层网壳，其中，门式刚架的柱和斜梁作为梁柱单元， 水平支撑和柱间支撑作为二力杆单元，与柱和斜梁铰接连接，其计算简图见图１
所示 ；利用浙江大学建筑工程学院空间结构研究中心的空间网格
结构分析设计程序对其进行内力分析（这种方法简称本文方法）。
二、支撑的内力分布：
图１ 门式刚架、
水平支撑和柱间支撑的力学计算模型
如图２，４８米单跨门式刚架，纵向柱距６米，纵向１７跨，１０２米长，抗风柱间距６
米，抗风柱上端传给屋面的力如下：
图２ 单跨门式刚架支撑布置图
（总第８９期）２００４年第４期
卢伟煌 ・门式刚架水平支撑和柱间支撑内力计算分析研究
・３４・
Ｆ１＝１１．４３ＫＮ，Ｆ２＝１６．５０ＫＮ、Ｆ３＝１７．４４０ＫＮ、Ｆ４＝１８．３７ＫＮ、Ｆ５＝１８．８４ＫＮ，Ｑ１＝３．８１ＫＮ，Ｑ２＝３．８０ＫＮ、Ｑ３＝４．０１ＫＮ、Ｑ４＝４．２３ＫＮ、Ｑ５＝４．３４ＫＮ。水平和柱间支撑采用柔性支撑，当风向由左向右时，虚线部分的杆由于受压，退出工作。
利用浙江大学建筑工程学院空间结构研究中心的空间网格结构分析设计程序ＭＳＴＣＡＤ对其进行内力分析。把门式刚架的柱和斜梁
作为梁柱单元， 水平支撑和柱间支撑作为二力杆单元，与柱和斜梁铰接连接，整个结构看成空间单层网壳，其各杆内力见表１和表２，其中，未括号的数值是按图２所示的节点力输入；括号内的数值是将两端山墙风荷载加在一起，除以支撑道数，即得到每榀屋面水平支撑和柱间支撑所受的荷载，按此荷载加在各榀水平支撑的节点上。
从本文提供的内力计算模型的分析方法和方法１的计算结果可知， 水平支撑直腹杆内力，水平支撑斜拉杆内力和柱间支撑的拉杆内力随着水平支撑和柱间支撑道数的增加而减小。纵向系杆内力的随着水平支撑和柱间支撑道数的增加变化不明显。
从本文提供的内力计算模型的分析方法与方法１的计算内力比较可知，对屋面水平支撑的直腹杆和柱间支撑的拉杆的内力有较大的出入，但对水平支撑的斜拉杆的影响不大。方法１由于假定每榀支撑所受的纵向水平风荷载均相等，因此，各道支撑处的水平支撑直腹杆内力、水平支撑斜拉杆内力和柱间支撑的拉杆内力均相同。方法２，由于在纵向水平风荷载作用下，结构中各节点的纵向水平位移不相同，纵向水平力分配到各榀支撑的荷载各不相同，因此，各榀支撑的内力就不相同，随着迎风面到背风面，各榀支撑的内力逐渐减小，即迎风面处的支撑内力最大，背风面处的支撑内力最小。因此，不考虑纵向风荷载的传力途径，简化成每道水平支撑和柱间支撑所受的风荷载均相同，这样的计算结果与实际受力情况有较大的差别，把用方法１的内力来设计支撑的杆件，对于迎风面的前半部分是不安全的。在结构设计中，应该选用方法２来计算支撑内力，才能保证结构设计的安全可靠。
三、结论：
经过上面算例分析，可得出以下结论：
（１）、本文把整个门式刚架结构体系的力学计算模型看成是一个空间单层网壳，其中，门式刚架的柱和斜梁作为梁柱单元， 水平支撑和柱间支撑作为二力杆单元，与柱和斜梁铰接连接，利用浙江大学建筑工程学院空间结构研究中心的空间网格结构分析设计程序对其进行内力分析。这种计算方法的力学计算模型和计算程序合理、可靠。
（２）、由于在纵向水平风荷载作用下，结构中各节点的纵向水平位移不相同，纵向水平风荷载分配到各榀支撑的荷载各不相同，这是造成本文提供的内力计算模型与方法１的各榀支撑内力有较大差别的根本原因。因此，将两端山墙风荷载加在一起，除以支撑道数，即得到每榀屋面水平支撑和柱间支撑所受的荷载，这种简化的计算方法与实际结构的受力情况是有较大差别的。（３）、随着迎风面到背风面，各榀支撑的内力逐渐减小，即迎风面处的支撑内力最大，背风面处的支撑内力最小。用方法１的内力（相当于各榀支撑内力均相同）来设计支撑对于迎风面的前半部分是不安全的。
参考文献
１、赵熙元，建筑钢结构设计手册，北京：冶金工业出版社，１９９５
２、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程ＣＥＣＳ１０２：９８３、陈友泉等，轻钢结构支撑体系内力计算及设计问题的探讨，建筑结构，２００３年第３３卷第７
期。