第１８卷第４期２００５年１２月
宁波大学学报（理工版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＩＮＧＢＯＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＳＥＥ）
Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２００５
文章编号：１００１唱５１３２（２００５）０４唱０５３４唱０３
门式刚架轻钢结构抗风柱的设计
泮威风
（宁波大学建筑设计研究院，浙江宁波３１５２１１）
摘要：通过对抗风柱的受力特点及抗风柱上下端的连接节点的几种形式进行分析比较，提出了建议
性的设计方法．关键词：抗风柱； 铰接； 刚接； 弹簧板连接； 长圆孔普通螺栓； 隅撑中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ｂ
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｆｏｒＷｉｎｄＲｅｓｉｓｔａｎｔＰｉｌｌａｒｗｉｔｈＬｉｇｈｔ唱ＷｅｉｇｈｔＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＰＡＮＷｅｉ唱ｆｅｎｇ
（ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｓｏｆａｗｉｎｄｒｅｓｉｓｉｔａｎｔｐｉｌｌａｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ａｎｄｓｏｍｅｆｏｒｍｓｏｆｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒ’ｓｊｏｉｎｔｓａｔｂｏｔｈｅｎｄｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒ； ｈｉｎｇｅｄｊｏｉｎｔ； ｒｉｇｉｄｊｏｉｎｔ； ｓｐｒｉｎｇｂｏａｒｄｊｏｉｎｔ； ｃｏｍｍｏｎｂｏｌｔｗｉｔｈｓｌｏｔ； ｃｒｏｓｓｒａｎｇｅｂｒａｃｉｎｇＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：ＴＵ３９１ Ｄｏｃｕｍｅｎｔｃｏｄｅ：Ｂ
门式刚架轻钢结构具有结构简洁，受力合理，抗震性能好，适用空间大，造价低，同时便于工厂化成批生产，商品化制作及施工速度快，安装方便等优点，近年来在我国的工业及民用建筑中得到广泛的应用．为适应我国轻钢结构的迅速发展，相关的轻钢结构规范、规程应运而生，其对主刚架构件及节点的设计做了详细的规定，主刚架及节点的设计也日趋成熟，但在抗风柱设计方面，由于规范、规程没有具体的节点设计规定，目前不同单位的做法各异，而且有些做法存在一些缺陷，这不但影响抗风柱本身的受力，而且还影响到与之相连的刚架和基础的设计和受力．本文对抗风柱的设计进行了探讨．
１ 抗风柱的边界条件及受力特点
１．１边界条件
抗风柱上端与端跨斜钢梁连接，下端与基础连接，如图１所示．上端的边界条件有刚接、铰接、弹簧板连接及长圆孔普通螺栓连接．弹簧板和长圆孔螺栓连接只将山墙的风荷载传递给斜钢梁，而不将屋面的竖向荷载传递给抗风柱；下端与基础连接的边界条件有刚接和铰接．１．２受力特点
抗风柱的受力情况如图２所示．根据边界条件和墙面板的做法等因素的不同，抗风柱的受力情况
收稿日期：２００５－０９－１５．
作者简介：泮威风（１９７８－），男，汉族，浙江台州人，助工．
也有所不同，当上端为刚接或是铰接时，Ｒ４存在，当弹簧板和长圆孔普通螺栓连接时，Ｒ４不存在；当墙面板落地，直接将自重传至基础时，Ｒ２不存在；水平风荷载Ｒ１和抗风柱和墙梁自重Ｒ３始终都存在，故
抗风柱的受力特点为竖放的压弯构件．
图１ 墙架示意图 图２ 抗风柱受力简图（边界条件
为示意）
Ｆｉｇ．１ Ｗａｌｌｆｒａｍｅ Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｆｏｒｃｅ唱ｂｅａｒｉｎｇｏｆｗｉｎｄｒｅ唱
ｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒ
２ 抗风柱与斜钢梁的节点做法及应注意的问题
由于施工及斜钢梁的受力原因，刚接的做法很少，目前设计人员以铰接，弹簧板和长圆孔普通螺栓连接做法为主．图３列举了各种连接节点的示意图．
（１）铰接节点（图３（ａ））该连接的特点是：抗风柱和刚架柱在同一轴线
上，且与斜梁下翼缘连接．山墙的水平风荷载通过抗
风柱传给斜梁的下翼缘，而斜梁的下翼缘没有侧向支撑（檩条和刚性系杆一般都与上翼缘连接），则使斜梁除了承受侧向力外，还承受侧向力引起的扭矩．当房屋的跨度及高度增大时，产生的扭矩更大，更使斜梁因受扭而失稳．因此，采用此连接时，应在连接处增设隅撑，或加一定数量的加劲板，来确保斜梁不因下翼缘受力而受扭失稳．
此外，采用该连接时，由于端刚架的跨度减小，使得斜梁和抗风柱的截面尺寸都可以减小，比较经济，一般小跨度的房屋可以采用．但用该连接做法时，由于端部第二榀门式刚架斜梁跨度及荷载均大于端刚架斜梁的跨度和荷载，其挠度也大于端刚架斜梁的挠度．随跨度的增大，其挠度的差别也越大，两者因变形相差大，可能引起屋面翘曲、开裂、渗漏，使雨水进入保温层，致使屋面板荷载增大而造成安全隐患．故大跨度的房屋此种连接应慎用．
（２）弹簧板和斜梁下翼缘连接（图３（ｂ、ｃ））该连接做法，考虑了斜梁的竖向自由变形，但是由于弹簧板与斜梁下翼缘连接，也会引起斜梁因受扭而失稳．故应在连接处增设隅撑，或加一定数量的加劲板，来确保斜梁不因下翼缘受力而受扭失稳．
（３）弹簧板和斜梁上翼缘连接（图３（ｄ、ｅ））该种连接既考虑了斜梁的竖向自由变形，也考虑了斜梁的受扭稳定问题．由于弹簧板与斜梁上翼缘连接，而上翼缘有檩条和刚性系杆作为平面外的
避支撑点，水平风荷载可以直接传递给檩条和撑杆
，
图３ 抗风柱与斜钢梁连接节点图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｊｏｉｎｏｆｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒａｎｄｈｙｐｏｔｅｎｕｓｅｂｅａｍ
免了斜梁的附加扭矩．从变形、传力路径上分析，该
连接比较合理．但应注意连到上翼缘可能和檩条产生安装位置上的矛盾．
（４）长圆孔普通螺栓连接（图３（ｆ））从变形、传力路径分析，该种连接做法比较合理，也便于制作和施工．缺点是不能用于抗风柱和端刚架在同一轴线时的情况．
和水平剪力Ｖ，不存在由于弯矩引起的大偏心问题．从而避免了以上问题，降低了基础的造价；方便设计，柱脚构造简单，
施工方便．
３ 抗风柱与基础连接节点形式及分析
抗风柱与基础连接分铰接和刚接两种形式．对
于门式刚架轻钢结构中的抗风柱来说，采用何种柱脚对抗风柱的设计影响不大，但对基础的设计却非
常关键．
图４ 刚接柱脚
Ｆｉｇ．４
Ｒｉｇｉｄｊｏｉｎｔａｔｃｏｌｕｍｎｂａｓｅ
图５ 基础受力示意图
３．１柱脚刚接Ｆｉｇ．５（ 图Ｔｈｅ４）
ｆｏｒｃｅ唱ｂｅａｒｉｎｇｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
当采用刚接柱脚时，抗风柱除了承受轴力Ｎ和水平剪力Ｖ外，柱底还存在很大的由风荷载产生的弯矩ｅ：
Ｍ，基础则要受到偏心荷载作用（图５），偏心距ｅ＝（Ｍ＋Ｖ×ｈ）／（Ｎ＋Ｇ），（１）其中Ｍ为柱底弯矩；Ｎ为柱脚轴力；Ｖ为柱脚水平剪力；Ｇ为基础底面以上压重，ｈ为基础高度．
由于偏心荷载作用下一方面使基础的截面增大，增加造价，另一方面使基础底面受力不均匀，使基础发生倾斜３．２柱脚铰接（，图甚至会影响房屋的正常使用６）
．当采用铰接柱脚时，抗风柱基础只承受轴力Ｎ
图６ 铰接柱脚
３．３柱脚抗剪键的设置
Ｆｉｇ．６ Ｈｉｎｇｅｄｊｏｉｎｔａｔｃｏｌｕｍｎｂａｓｅ
抗风柱一般承受的荷载有：墙板自重，抗风柱自重，墙梁自重和水平风荷载．大多房屋山墙墙面板落地，直接传给基础，则抗风柱只承受自重、墙梁自重和风荷载．抗风柱和墙梁自重小，所承担的水平风荷载大，很难满足枟门式刚架轻型房屋钢结构技术规程枠（ＣＥＣＳ１０２：２００２）７．２．２０条Ｖ＜０．４Ｎ的要求．故应设置抗剪键．
４ 结论
对于门式刚架轻型钢结构房屋的抗风柱设计，
可以概括为以下几点：
（１）当刚架跨度大时，抗风柱与斜梁铰接连接方式应慎用，以防止屋面梁变形不协调，可采用弹簧板或是长圆孔普通螺栓的连接方式．
（２）当抗风柱与斜梁下翼缘连接时，应加隅撑或是加一定数量的加劲板来防止斜梁因附加扭矩而失稳．
（３）抗风柱和基础的连接宜采用铰接节点，可减少基础工程量，且设计方便，构造简单，便于施工．
（４）抗风柱柱底应验算是否需要设置抗剪键．参考文献：
［１］ 中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会，中国建筑
标准设计研究院．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（ＣＥＣＳ１０２：２００２）［Ｍ］．北京：中国计划出版社，２００３．［２］ 钢结构设计手册钢结构编辑委员会．钢结构设计手册
（上册）（第３版）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４．
［３］ 中华人民共和国建设部．钢结构设计规范（ＧＢ５００１７－
２００３）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００３．［４］ 李春．浅谈门式刚架轻型钢结构厂房中抗风柱的设置
［Ｊ］．福建：福建建筑科技，２００３（４）：２２～２９．
（责任编辑 洪明照）
第１８卷第４期２００５年１２月
宁波大学学报（理工版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＩＮＧＢＯＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＳＥＥ）
Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２００５
文章编号：１００１唱５１３２（２００５）０４唱０５３４唱０３
门式刚架轻钢结构抗风柱的设计
泮威风
（宁波大学建筑设计研究院，浙江宁波３１５２１１）
摘要：通过对抗风柱的受力特点及抗风柱上下端的连接节点的几种形式进行分析比较，提出了建议
性的设计方法．关键词：抗风柱； 铰接； 刚接； 弹簧板连接； 长圆孔普通螺栓； 隅撑中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ｂ
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｆｏｒＷｉｎｄＲｅｓｉｓｔａｎｔＰｉｌｌａｒｗｉｔｈＬｉｇｈｔ唱ＷｅｉｇｈｔＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＰＡＮＷｅｉ唱ｆｅｎｇ
（ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｓｏｆａｗｉｎｄｒｅｓｉｓｉｔａｎｔｐｉｌｌａｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ａｎｄｓｏｍｅｆｏｒｍｓｏｆｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒ’ｓｊｏｉｎｔｓａｔｂｏｔｈｅｎｄｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒ； ｈｉｎｇｅｄｊｏｉｎｔ； ｒｉｇｉｄｊｏｉｎｔ； ｓｐｒｉｎｇｂｏａｒｄｊｏｉｎｔ； ｃｏｍｍｏｎｂｏｌｔｗｉｔｈｓｌｏｔ； ｃｒｏｓｓｒａｎｇｅｂｒａｃｉｎｇＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：ＴＵ３９１ Ｄｏｃｕｍｅｎｔｃｏｄｅ：Ｂ
门式刚架轻钢结构具有结构简洁，受力合理，抗震性能好，适用空间大，造价低，同时便于工厂化成批生产，商品化制作及施工速度快，安装方便等优点，近年来在我国的工业及民用建筑中得到广泛的应用．为适应我国轻钢结构的迅速发展，相关的轻钢结构规范、规程应运而生，其对主刚架构件及节点的设计做了详细的规定，主刚架及节点的设计也日趋成熟，但在抗风柱设计方面，由于规范、规程没有具体的节点设计规定，目前不同单位的做法各异，而且有些做法存在一些缺陷，这不但影响抗风柱本身的受力，而且还影响到与之相连的刚架和基础的设计和受力．本文对抗风柱的设计进行了探讨．
１ 抗风柱的边界条件及受力特点
１．１边界条件
抗风柱上端与端跨斜钢梁连接，下端与基础连接，如图１所示．上端的边界条件有刚接、铰接、弹簧板连接及长圆孔普通螺栓连接．弹簧板和长圆孔螺栓连接只将山墙的风荷载传递给斜钢梁，而不将屋面的竖向荷载传递给抗风柱；下端与基础连接的边界条件有刚接和铰接．１．２受力特点
抗风柱的受力情况如图２所示．根据边界条件和墙面板的做法等因素的不同，抗风柱的受力情况
收稿日期：２００５－０９－１５．
作者简介：泮威风（１９７８－），男，汉族，浙江台州人，助工．
也有所不同，当上端为刚接或是铰接时，Ｒ４存在，当弹簧板和长圆孔普通螺栓连接时，Ｒ４不存在；当墙面板落地，直接将自重传至基础时，Ｒ２不存在；水平风荷载Ｒ１和抗风柱和墙梁自重Ｒ３始终都存在，故
抗风柱的受力特点为竖放的压弯构件．
图１ 墙架示意图 图２ 抗风柱受力简图（边界条件
为示意）
Ｆｉｇ．１ Ｗａｌｌｆｒａｍｅ Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｆｏｒｃｅ唱ｂｅａｒｉｎｇｏｆｗｉｎｄｒｅ唱
ｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒ
２ 抗风柱与斜钢梁的节点做法及应注意的问题
由于施工及斜钢梁的受力原因，刚接的做法很少，目前设计人员以铰接，弹簧板和长圆孔普通螺栓连接做法为主．图３列举了各种连接节点的示意图．
（１）铰接节点（图３（ａ））该连接的特点是：抗风柱和刚架柱在同一轴线
上，且与斜梁下翼缘连接．山墙的水平风荷载通过抗
风柱传给斜梁的下翼缘，而斜梁的下翼缘没有侧向支撑（檩条和刚性系杆一般都与上翼缘连接），则使斜梁除了承受侧向力外，还承受侧向力引起的扭矩．当房屋的跨度及高度增大时，产生的扭矩更大，更使斜梁因受扭而失稳．因此，采用此连接时，应在连接处增设隅撑，或加一定数量的加劲板，来确保斜梁不因下翼缘受力而受扭失稳．
此外，采用该连接时，由于端刚架的跨度减小，使得斜梁和抗风柱的截面尺寸都可以减小，比较经济，一般小跨度的房屋可以采用．但用该连接做法时，由于端部第二榀门式刚架斜梁跨度及荷载均大于端刚架斜梁的跨度和荷载，其挠度也大于端刚架斜梁的挠度．随跨度的增大，其挠度的差别也越大，两者因变形相差大，可能引起屋面翘曲、开裂、渗漏，使雨水进入保温层，致使屋面板荷载增大而造成安全隐患．故大跨度的房屋此种连接应慎用．
（２）弹簧板和斜梁下翼缘连接（图３（ｂ、ｃ））该连接做法，考虑了斜梁的竖向自由变形，但是由于弹簧板与斜梁下翼缘连接，也会引起斜梁因受扭而失稳．故应在连接处增设隅撑，或加一定数量的加劲板，来确保斜梁不因下翼缘受力而受扭失稳．
（３）弹簧板和斜梁上翼缘连接（图３（ｄ、ｅ））该种连接既考虑了斜梁的竖向自由变形，也考虑了斜梁的受扭稳定问题．由于弹簧板与斜梁上翼缘连接，而上翼缘有檩条和刚性系杆作为平面外的
避支撑点，水平风荷载可以直接传递给檩条和撑杆
，
图３ 抗风柱与斜钢梁连接节点图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｊｏｉｎｏｆｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｉｌｌａｒａｎｄｈｙｐｏｔｅｎｕｓｅｂｅａｍ
免了斜梁的附加扭矩．从变形、传力路径上分析，该
连接比较合理．但应注意连到上翼缘可能和檩条产生安装位置上的矛盾．
（４）长圆孔普通螺栓连接（图３（ｆ））从变形、传力路径分析，该种连接做法比较合理，也便于制作和施工．缺点是不能用于抗风柱和端刚架在同一轴线时的情况．
和水平剪力Ｖ，不存在由于弯矩引起的大偏心问题．从而避免了以上问题，降低了基础的造价；方便设计，柱脚构造简单，
施工方便．
３ 抗风柱与基础连接节点形式及分析
抗风柱与基础连接分铰接和刚接两种形式．对
于门式刚架轻钢结构中的抗风柱来说，采用何种柱脚对抗风柱的设计影响不大，但对基础的设计却非
常关键．
图４ 刚接柱脚
Ｆｉｇ．４
Ｒｉｇｉｄｊｏｉｎｔａｔｃｏｌｕｍｎｂａｓｅ
图５ 基础受力示意图
３．１柱脚刚接Ｆｉｇ．５（ 图Ｔｈｅ４）
ｆｏｒｃｅ唱ｂｅａｒｉｎｇｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
当采用刚接柱脚时，抗风柱除了承受轴力Ｎ和水平剪力Ｖ外，柱底还存在很大的由风荷载产生的弯矩ｅ：
Ｍ，基础则要受到偏心荷载作用（图５），偏心距ｅ＝（Ｍ＋Ｖ×ｈ）／（Ｎ＋Ｇ），（１）其中Ｍ为柱底弯矩；Ｎ为柱脚轴力；Ｖ为柱脚水平剪力；Ｇ为基础底面以上压重，ｈ为基础高度．
由于偏心荷载作用下一方面使基础的截面增大，增加造价，另一方面使基础底面受力不均匀，使基础发生倾斜３．２柱脚铰接（，图甚至会影响房屋的正常使用６）
．当采用铰接柱脚时，抗风柱基础只承受轴力Ｎ
图６ 铰接柱脚
３．３柱脚抗剪键的设置
Ｆｉｇ．６ Ｈｉｎｇｅｄｊｏｉｎｔａｔｃｏｌｕｍｎｂａｓｅ
抗风柱一般承受的荷载有：墙板自重，抗风柱自重，墙梁自重和水平风荷载．大多房屋山墙墙面板落地，直接传给基础，则抗风柱只承受自重、墙梁自重和风荷载．抗风柱和墙梁自重小，所承担的水平风荷载大，很难满足枟门式刚架轻型房屋钢结构技术规程枠（ＣＥＣＳ１０２：２００２）７．２．２０条Ｖ＜０．４Ｎ的要求．故应设置抗剪键．
４ 结论
对于门式刚架轻型钢结构房屋的抗风柱设计，
可以概括为以下几点：
（１）当刚架跨度大时，抗风柱与斜梁铰接连接方式应慎用，以防止屋面梁变形不协调，可采用弹簧板或是长圆孔普通螺栓的连接方式．
（２）当抗风柱与斜梁下翼缘连接时，应加隅撑或是加一定数量的加劲板来防止斜梁因附加扭矩而失稳．
（３）抗风柱和基础的连接宜采用铰接节点，可减少基础工程量，且设计方便，构造简单，便于施工．
（４）抗风柱柱底应验算是否需要设置抗剪键．参考文献：
［１］ 中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会，中国建筑
标准设计研究院．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（ＣＥＣＳ１０２：２００２）［Ｍ］．北京：中国计划出版社，２００３．［２］ 钢结构设计手册钢结构编辑委员会．钢结构设计手册
（上册）（第３版）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４．
［３］ 中华人民共和国建设部．钢结构设计规范（ＧＢ５００１７－
２００３）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００３．［４］ 李春．浅谈门式刚架轻型钢结构厂房中抗风柱的设置
［Ｊ］．福建：福建建筑科技，２００３（４）：２２～２９．
（责任编辑 洪明照）