手把手教你钢结构抗风柱的设计

一、介绍设置在房屋结构两端山墙内，抵抗水平风荷载的钢筋混凝土构造柱简称为抗风柱。将抗风柱在水平方向连接起来、起整体加固作用的钢筋混凝土梁简称为抗风横梁。一般用于高耸、内部大空间、横墙少的砖混结构房屋，如工业厂房、大型仓库等。图1为单层厂房透视图，我们从图中可以看一下抗风柱的位置情况：

抗风柱虽然在《钢结构设计规范》和《门式刚架规范》中均未有专门条文介绍如何设计，但是作为结构受力构件，只要分析清楚它在结构体系中的受力状态，按照规范相关条文进行计算分析，并满足规范规定的构造要求，我们就能合理的设计出安全经济的抗风柱。接下来我们就抗风柱的设计全面介绍如下：
二、力学分析
抗风柱有三种布置方法：
(1) 即抗风柱柱脚与基础刚接，柱顶与屋架通过弹簧片连接。
(2) 即抗风柱柱脚与基础铰接，柱顶与屋架通过长圆孔连接板或弹簧片连接。按这两种布置方法，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”。
(3)按门式刚架轻钢结构布置，抗风柱与屋架梁刚接，与钢梁、钢柱一起组成门式刚架结构。即抗风柱柱脚与基础铰接(或刚接)，柱顶与屋架刚接。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。
第一种布置方式即悬臂梁式。
主要特点是：抗风柱柱脚刚接，相当于我们一般的悬臂梁受力形式，抗风柱本身独立承受墙面传递的风荷载。在过去重屋面的单层工业厂房中，因为抗风柱和厂房结构柱所承受的竖向荷载差距较大，为避免不均匀沉降对结构受力形式的改变和不利影响，一般需要释放竖向约束。在轻钢厂房开始的初期，我们经常看到一些图纸中，在抗风柱的顶部加设弹簧板，与主钢架连接，就是这种设计理念。
这种抗风柱的主要特点是：
1）柱脚刚接；
2）截面根据实际情况，有时较大，有时就会很节省；
3）顶部弹簧板连接。
我们现在把悬臂梁式抗风柱力学模型展示如图2所示：第二种为简支梁式，这种抗风柱的特点是：柱脚铰接、顶部与主钢架铰接，这种抗风柱的受力形式简单，采用较小的截面就能满足。风荷载通过抗风柱传递到主钢架，依靠主钢架的支撑体系承受水平风荷载。在轻型钢结构厂房设计中，受力形式简单，力的传递途径明确。
主要的特点是：
1）主钢架承受竖向荷载和横向水平荷载；
2）抗风柱承受和传递水平纵向风荷载；
3）支撑体系承受纵向水平荷载。
这种抗风柱的优点是：
1）受力形式简单，截面较小；
2）铰接节点加工和安装比较方便，成本低；
3）充分发挥了整体结构的承载能力，总体成本低。
我们现在把简支梁式抗风柱力学模型展示如图3所示：
三、设计计算对于抗风柱首先要满足《钢结构设计规范》中对于钢柱的基本规定：
1、容许长细比
抗风柱平面内计算长度：柱脚铰接，柱顶铰接，计算长度系数为1.0；柱脚刚接，柱顶铰接，计算长度系数为0.732.抗风柱平面内计算长度：侧向支撑点之间的距离，可取檩条之间的距离，一般为3000m
2、挠度
抗风柱的挠度。由于抗风柱受弯作为控制受力，所以也要考虑挠度，《钢结构设计规范》中主钢架的挠度限值为1/400L，《门式刚规》里面对于墙梁水平挠度要求是1/180。
四、节点构造
当我们设计完截面尺寸后，开始要完成施工图设计，下面介绍常用的节点形式：
3、抗风柱与屋架梁铰接节点
可以看到此种柱顶铰接采用弹簧片连接，还有采用竖向长圆孔连接。
五、总结
虽然规范中很难找到抗风柱如何设计的条文，但是只要把它的受力分析清楚，再根据相关条文即可设计出经济合理的截面来。同时根据建筑的使用要求及条件，合理选择抗风柱受力形式，也是我们合理设计的关键。以我个人多年的钢结构设计工作经验：对于厂房抗风柱高度不是很高，就可以选择柱脚和柱顶都为铰接的形式，可以得到比较经济的截面；而对于高度比较高的厂房，可选择柱脚刚接，减少计算长度，从而使截面经济性得以体现。