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【摘要】空腹钢柱是一种新型的钢结构构件，具备抗震性好、加工制作方便、便于布置人行通道等优势，近年来在单层工业厂房钢结构设计中有着广泛应用。本文基于大量的文献资料对空腹钢柱的特点进行了分析，然后探讨分析了空腹钢柱单层工业厂房结构设计中的相关问题，仅供参考借鉴。
【关键词】空腹钢柱；结构设计；单层厂房
由于生产作业的需求，单层工业厂房建筑越来越多。单层工业厂房的加工制作流程相对简单，内部容易布置生产运输通道，摆放比较重的机械设备和产品，很好的满足一些企业生产需求。但是单层工业厂房占地面积一般较大，相应的跨度也较大，存在局部破坏、倒塌的隐患。为提高单层工业厂房安全，必须科学合理设计厂房结构。下面以空腹钢柱单层工业厂房为例，对单层钢结构工业厂房结构设计中相关问题进行了分析。
1、空腹钢柱
空腹钢柱是相对于实腹钢柱而提出的，是钢结构中的一种腹部构件，可以在结构中参与承受轴力和弯矩。与其他类型的钢构件相比，空腹钢柱的特点明显。第一，具备良好的抗震性和较高的承载力；第二，内部空间使用方便，便于布置各种人行走道和管道；第三，生产加工制作简单，降低成本投入；第四，具备极好的变形适应能力，可以承受较大的水平变位。
2、空腹钢柱单层工业厂房结构设计的相关问题
2.1单层厂房结构
单层厂房结构组成主要包括横向排架、纵向联系构件、支撑系统及外围护结构等。空腹钢柱是横向排架中的重要构件，主要承受轴力和弯矩，常见形式有方形、圆形等。某单层工业厂房为钢结构，净高23m，跨度50m，柱距10m，总长为160m，平面图见图1。抗震设防类别为乙类。
图1 单层工业厂房平面图
2.2腹柱构件选取
目前，单层钢结构工业厂房柱构件主要有实腹柱、斜腹杆格柱、空腹柱等几种形式。实腹柱适用于中小跨度的單层工业厂房，但是本工业厂房的跨度较大，且厂房净高大，不易采用实腹柱。如果采用实腹柱，只能将人行走道、风管等布置在柱外侧。根据本工业厂房设计要求，风管必须布置在柱内，所以不能使用实腹柱，斜腹杆格柱同样不能满足设计要求。基于以上几个方面的考虑，本单层工业厂房使用空腹钢柱形式的排架柱，在柱内布置风管，可以灵活布置人行走道，方便人员行走，同时也可以满足本厂房抗震设防方面的要求，提高厂房的抗震性。
从图1可以看出，本单层钢结构工业厂房的纵向长度比较大，为保证平面支撑结构的可靠性，在1/3处设置2道下柱支撑，在下柱支撑和厂房端部设置4道上柱支撑，其中下柱支撑采用H型钢。空腹钢柱设计使用年限为50年，安全等级一级，钢材选用Q345B，重要性系数选取1.1，截面为H350cm×450cm×15cm×29/26cm。
2.3承载力试验
目前虽然空腹钢柱在单层钢结构工业厂房建筑结构设计中比较推崇，但是它的应用刚刚起步，现行设计规范中没有涉及构造等方面要求，所以需要利用有限元计算方法进行承载力试验，确保空腹钢柱在单层工业厂房结构应用中的可靠性。首先，按照1：4比例制作单层工业厂房和空腹钢柱等构件模型，然后按照各种荷载工况进行相关的有限元计算，验证空腹钢柱的承载力。
实际工作中会遇到各种各样的荷载工况，由于同时出现竖向荷载、水平荷载超载的可能性较低，所以这里不考虑这一种荷载工况，只考虑竖向荷载、水平荷载及低周反复荷载三种荷载工况。
第一种为竖向荷载：经过竖向极限荷载计算，本单层工业厂房结构竖向的安全荷载系数是6.04，如果算上吊车和屋面的荷载，竖向的安全荷载系数为6.07，空腹钢柱是安全的；第二种为水平荷载：经过水平极限荷载计算，本单层工业厂房钢柱水平荷载的安全系数为3.56。如果持续增加水平荷载，柱肢和横梁连接处节点先进入屈服状态，之后扩大至横梁，最后才蔓延至钢柱，与“强柱弱梁”结构设计原则相符，可以保护空腹钢柱相对安全；第三种为低周反复荷载：在低周反复荷载情况下，空腹钢柱前期抗侧刚度没有明显变化，但是后期变化明显，整个钢柱抗侧性将有明显下降。经过对低周反复荷载计算，极限承载力为400kN。
经过以上三种荷载工况试验，证明空腹钢柱是安全的，具有较高的承载能力，可以应用于单层钢结构工业厂房结构。
结论：
综上所述，空腹钢柱与实腹柱、斜腹杆格柱等钢柱构件相比，它的特点是明显的，在单层钢结构工业厂房中的应用有着良好效果。一方面，可以在空腹钢柱内布置风道，灵活布置人行走道，另一方面可以提高单层工业厂房的抗震性，具备良好的应用效果。由于空腹钢柱应用刚刚起步，实际应用中要求技术人员进行科学的荷载有限元计算，对空腹钢柱的承载力进行试验，只有经过各种荷载工况试验才能保证单层工业厂房结构安全可靠。所以，空腹钢柱在单层工业厂房中应用使必须按照要求进行荷载工况试验。未来工作中，加强对空腹钢柱设计规范的研究，使其更好的应用于单层工业厂房结构设计。
参考文献：
[1]李铁军，周欣欣，史航标.地下污水厂结构设计实例简介[J].江西建材，2017（03）.
[2]梅丽娜.浅谈结构设计的几项基本原则[J].黑龙江科技信息，2010（15）.
[3]薛振岗.轻型门式钢架结构设计心得[J].江西建材，2014（01）.
[4]杨晋，王超.浅析门式钢架结构在池窑拉丝厂中的应用[J].玻璃纤维，2014（03）.
[5]陈彬彬.浅谈轻型门式钢架结构的设计及应用[J].中国建筑金属结构，2013（22）.
[6]徐克利，邹剑强，李慧成，等.空腹钢柱极限承载力与抗震性能试验研究[J].建筑结构，2012（01）.
【关键词】空腹钢柱；结构设计；单层厂房
由于生产作业的需求，单层工业厂房建筑越来越多。单层工业厂房的加工制作流程相对简单，内部容易布置生产运输通道，摆放比较重的机械设备和产品，很好的满足一些企业生产需求。但是单层工业厂房占地面积一般较大，相应的跨度也较大，存在局部破坏、倒塌的隐患。为提高单层工业厂房安全，必须科学合理设计厂房结构。下面以空腹钢柱单层工业厂房为例，对单层钢结构工业厂房结构设计中相关问题进行了分析。
1、空腹钢柱
空腹钢柱是相对于实腹钢柱而提出的，是钢结构中的一种腹部构件，可以在结构中参与承受轴力和弯矩。与其他类型的钢构件相比，空腹钢柱的特点明显。第一，具备良好的抗震性和较高的承载力；第二，内部空间使用方便，便于布置各种人行走道和管道；第三，生产加工制作简单，降低成本投入；第四，具备极好的变形适应能力，可以承受较大的水平变位。
2、空腹钢柱单层工业厂房结构设计的相关问题
2.1单层厂房结构
单层厂房结构组成主要包括横向排架、纵向联系构件、支撑系统及外围护结构等。空腹钢柱是横向排架中的重要构件，主要承受轴力和弯矩，常见形式有方形、圆形等。某单层工业厂房为钢结构，净高23m，跨度50m，柱距10m，总长为160m，平面图见图1。抗震设防类别为乙类。
图1 单层工业厂房平面图
2.2腹柱构件选取
目前，单层钢结构工业厂房柱构件主要有实腹柱、斜腹杆格柱、空腹柱等几种形式。实腹柱适用于中小跨度的單层工业厂房，但是本工业厂房的跨度较大，且厂房净高大，不易采用实腹柱。如果采用实腹柱，只能将人行走道、风管等布置在柱外侧。根据本工业厂房设计要求，风管必须布置在柱内，所以不能使用实腹柱，斜腹杆格柱同样不能满足设计要求。基于以上几个方面的考虑，本单层工业厂房使用空腹钢柱形式的排架柱，在柱内布置风管，可以灵活布置人行走道，方便人员行走，同时也可以满足本厂房抗震设防方面的要求，提高厂房的抗震性。
从图1可以看出，本单层钢结构工业厂房的纵向长度比较大，为保证平面支撑结构的可靠性，在1/3处设置2道下柱支撑，在下柱支撑和厂房端部设置4道上柱支撑，其中下柱支撑采用H型钢。空腹钢柱设计使用年限为50年，安全等级一级，钢材选用Q345B，重要性系数选取1.1，截面为H350cm×450cm×15cm×29/26cm。
2.3承载力试验
目前虽然空腹钢柱在单层钢结构工业厂房建筑结构设计中比较推崇，但是它的应用刚刚起步，现行设计规范中没有涉及构造等方面要求，所以需要利用有限元计算方法进行承载力试验，确保空腹钢柱在单层工业厂房结构应用中的可靠性。首先，按照1：4比例制作单层工业厂房和空腹钢柱等构件模型，然后按照各种荷载工况进行相关的有限元计算，验证空腹钢柱的承载力。
实际工作中会遇到各种各样的荷载工况，由于同时出现竖向荷载、水平荷载超载的可能性较低，所以这里不考虑这一种荷载工况，只考虑竖向荷载、水平荷载及低周反复荷载三种荷载工况。
第一种为竖向荷载：经过竖向极限荷载计算，本单层工业厂房结构竖向的安全荷载系数是6.04，如果算上吊车和屋面的荷载，竖向的安全荷载系数为6.07，空腹钢柱是安全的；第二种为水平荷载：经过水平极限荷载计算，本单层工业厂房钢柱水平荷载的安全系数为3.56。如果持续增加水平荷载，柱肢和横梁连接处节点先进入屈服状态，之后扩大至横梁，最后才蔓延至钢柱，与“强柱弱梁”结构设计原则相符，可以保护空腹钢柱相对安全；第三种为低周反复荷载：在低周反复荷载情况下，空腹钢柱前期抗侧刚度没有明显变化，但是后期变化明显，整个钢柱抗侧性将有明显下降。经过对低周反复荷载计算，极限承载力为400kN。
经过以上三种荷载工况试验，证明空腹钢柱是安全的，具有较高的承载能力，可以应用于单层钢结构工业厂房结构。
结论：
综上所述，空腹钢柱与实腹柱、斜腹杆格柱等钢柱构件相比，它的特点是明显的，在单层钢结构工业厂房中的应用有着良好效果。一方面，可以在空腹钢柱内布置风道，灵活布置人行走道，另一方面可以提高单层工业厂房的抗震性，具备良好的应用效果。由于空腹钢柱应用刚刚起步，实际应用中要求技术人员进行科学的荷载有限元计算，对空腹钢柱的承载力进行试验，只有经过各种荷载工况试验才能保证单层工业厂房结构安全可靠。所以，空腹钢柱在单层工业厂房中应用使必须按照要求进行荷载工况试验。未来工作中，加强对空腹钢柱设计规范的研究，使其更好的应用于单层工业厂房结构设计。
参考文献：
[1]李铁军，周欣欣，史航标.地下污水厂结构设计实例简介[J].江西建材，2017（03）.
[2]梅丽娜.浅谈结构设计的几项基本原则[J].黑龙江科技信息，2010（15）.
[3]薛振岗.轻型门式钢架结构设计心得[J].江西建材，2014（01）.
[4]杨晋，王超.浅析门式钢架结构在池窑拉丝厂中的应用[J].玻璃纤维，2014（03）.
[5]陈彬彬.浅谈轻型门式钢架结构的设计及应用[J].中国建筑金属结构，2013（22）.
[6]徐克利，邹剑强，李慧成，等.空腹钢柱极限承载力与抗震性能试验研究[J].建筑结构，2012（01）.