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摘要：把一个四跨单层排架结构厂房的某一榀排架，分别抽一根柱，抽两根柱，抽三根柱，从而形成三种不同的抽柱排架。分别以原不抽柱排架和三种不同的抽柱排架为计算单元进行计算分析，通过比较不同计算单元的内力和位移的差异，分析抽柱对排架结构的影响。其中对抽柱排架的计算采用“虚拟柱”法。计算结果表明，随着抽柱根数的增加，排架的弯矩、剪力、位移、逐渐增加，而轴力和配箍面积基本不变。且抽柱对中柱的影响大于对边柱的影响。
关键词：抽柱排架；虚拟柱；内力；位移
中图分类号：TU312文献标志码：A
Inner Force Comparison of Equal Height Hour-bay Bent Frames with Different Columns Removed
YANG Xuan，SUN Hang-bo
(College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Tsingtao 266510 ，P.R.China;)
Abstract：Three column-removed bents are formed by removing respectively, one, two and three, columns from a bent frame of a four-bay one-story bent frame structure workshop, in this paper. Then the original bent and the three different column-removed bents are calculated separately as four calculating units, with virtual column method being used in the calculation of column-removed bents. After that ,the inner force and displacements of these units are compared to find out the effort of column removing on bents . According to the result, the bending moment, shear force and displacement of the bents increase as the number of the columns removed increase, but the axial force and stirrup area stay the same. Column removing has greater influence on inner columns than on side columns.
Keywords：column-removed bent；virtual column；inner force；displacement
中图分类号：TU196+.4文献标识码：文章编号：
引言
由于生产工艺的改变、厂房使用功能的变化，厂房抽柱改造的案例越来越多。抽柱增大了柱距，使厂房局部形成大空间，满足了厂房改造的要求，但也对结构刚度造成了削弱。抽柱处的屋架荷载通过托架或托梁传到相邻排架柱，再传到基础。本文通过对排架不同抽柱情况的比较，综合分析抽柱对排架结构的影响。
1 工程概况
在青岛地区改建一单层四跨等高排架结构厂房，该地区抗震设防烈度为6度，基本风压为0.65kN/m2。本厂房跨度为24m，柱距6m，下柱为钢筋混凝土工字形柱截面为850mm×450mm×200 mm×200 mm，上柱为矩形截面为400 mm×500 mm，人字形钢屋架铰接于柱顶，屋面采用1.5m×6m钢筋混凝土大型屋面板。各跨都设有两台A5级10t吊车。局部厂房平面简图和剖面简图见图1、图2。
1-1抽柱排架
图1厂房平面图
图21-1剖面图
2 结构计算
2.1结构模型
（1）对图2中排架进行抽柱，分别用1单元、2单元、3单元、4单元，代表四种排架，见表1
表1计算单元
（2）抽柱排架计算采用“虚拟柱”法。“虚拟柱”法在平面排架抽柱处用一根两端铰接的摇摆柱代替屋架与托架的作用，“虚拟柱”的高度取排架上柱的高度，以方便施加吊车荷载。“虚拟柱”只用来模拟屋架与托架变形协调，其本身计算指标（强度、稳定、长细比）无意义。“虚拟柱”刚度对梁柱铰接排架的内力和柱顶位移无影响，可取任意截面。[1]
本厂房为梁柱铰接的排架结构，因此“虚拟柱”可取任意截面，为了方便，直接取原柱上柱截面。（3）混凝土柱和钢屋架组成的排架结构，计算分析时可用一根实腹钢梁模拟，钢梁截面按照刚度等效原则确定，在计算屋架刚度时需要考虑截面高度变化和腹杆变形的影响，对其惯性矩进行折减。[1]
本文计算中将人字形屋架等效成了一根实腹工字型截面梁。
2.2计算结果
计算软件采用中国建筑科学研究院研制的PKPM软件。各计算单元中各柱柱底的内力见表2、表3、表4、表5、表6。等高排架柱的柱顶位移各柱相等，见表7。
表2 包络弯矩 (kN·m)
表3包络剪力 (kN) (下柱箍筋面积(mm2))
表4包络轴力 (kN)
表5左风弯矩 (kN·m)
表6地震弯矩 (kN·m)
表7位移 (mm)
3 计算结果分析
3.1内力比较
（1）2单元比1单元柱底包络弯矩增大11%~24%，包络剪力增大4%~7%；3单元比1单元柱底包络弯矩增大37%~52%，包络剪力增大9%~22%；4单元比1单元边柱（3-E柱，3-A柱）柱底包络弯矩增大56%，包络剪力增大17%。
2单元与1单元比较，中柱（3-B柱，3-C柱）包络弯矩和包络剪力分别增大24%和7%，边柱（3-E柱，3-A柱）包络弯矩和包络剪力分别增大11%~17%和4%~6%。3单元与1单元比较，中柱（3-C柱）包络弯矩和包络剪力分别增大52%和22%，边柱（3-E柱，3-A柱）包络弯矩和包络剪力分别增大37%，9%。综上可见，抽柱后中柱内力变化比边柱大。
（2）随抽柱增加，柱底包络剪力逐渐增大，但箍筋配筋面积不变，说明配箍面积是由构造要求决定，抗剪承载力对本框架的配箍不起控制作用。
（3）无论抽几根柱，本排架柱轴力基本无变化。
（4）2单元比1单元左风弯矩增大10%~25%，左震弯矩增大约19%；3单元比1单元左风弯矩增大26%~67%，左震弯矩增大约50%；4单元比1单元边柱（3-E柱，3-A柱）柱左风弯矩增大59%~76%，左震弯矩增大约110%。
地震作用下的弯矩随抽柱增长，各柱增长幅度基本相同。
风荷载作用下的弯矩随抽柱增长，中间柱增长幅度大于边柱。而这正是包络内力变化出现中柱增长幅度大于边柱的原因。说明风荷载对结构的内力影响显著。
3.2位移比较
（1）风荷载作用下的柱顶位移随抽柱增加显著增大（26%~150%）。地震作用下的柱顶位移随抽柱增加显著增大（14%~100%）。
（2）本厂房的基本风压较大（0.65kN/m2），设防烈度较低（6度），但抽柱后，地震作用下的弯矩、柱顶位移增加都大于风荷载。说明，厂房较矮时，地震荷载对于排架抽柱的影响更大。
（3）随抽柱根数增加，吊车荷载下的轨顶位移总体增加，但是3单元比2单元的反而减小了，这是由于对称抽柱减小了吊车荷载的不利组合值。
4 结论
（1）本厂房中，随着抽柱根数的增加，柱底弯矩、剪力，柱顶位移，逐渐增大，但柱的轴力和配箍面积基本不变。在排架结构厂房抽柱改造中，应重点考虑柱底抗弯承载力和加强抗侧移刚度。
（2）在设防烈度为6度的地区，当厂房较矮时，对于抽柱排架，地震作用在水平荷载中起主要作用，但是风荷载的作用仍很显著。
（3）对称抽柱有利于减小吊车荷载作用下的轨顶位移。
（4）抽多根柱后不满足刚度要求，可加大柱截面，以增大排架刚度，同时增加柱间支撑，以增加各榀排架间的相互约束，减少抽柱排架的位移。
参考文献
[1]张志强，张柯，赵锋，李擘.钢筋混凝土抽柱排架结构计算分析[J].工业建筑,2008,38(12)：110-112
[2]蒋理，江科文.单层抽柱钢结构厂房的结构分析[J].重庆建筑,2010,9(77)：32-35
[3]毕朝锐，史志强.关于抽柱钢排架的设计计算[J].工业建筑，2008,38增刊：584-586
[4]于大永，张继宏.混凝土廠房抽柱的钢结构加固方案[J].钢结构，2010,3(25)：45-46
[5]GB5009-2001[S].建筑荷载规范2006
[6]GB50010-2010[S].混凝土结构设计规范2011
关键词：抽柱排架；虚拟柱；内力；位移
中图分类号：TU312文献标志码：A
Inner Force Comparison of Equal Height Hour-bay Bent Frames with Different Columns Removed
YANG Xuan，SUN Hang-bo
(College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Tsingtao 266510 ，P.R.China;)
Abstract：Three column-removed bents are formed by removing respectively, one, two and three, columns from a bent frame of a four-bay one-story bent frame structure workshop, in this paper. Then the original bent and the three different column-removed bents are calculated separately as four calculating units, with virtual column method being used in the calculation of column-removed bents. After that ,the inner force and displacements of these units are compared to find out the effort of column removing on bents . According to the result, the bending moment, shear force and displacement of the bents increase as the number of the columns removed increase, but the axial force and stirrup area stay the same. Column removing has greater influence on inner columns than on side columns.
Keywords：column-removed bent；virtual column；inner force；displacement
中图分类号：TU196+.4文献标识码：文章编号：
引言
由于生产工艺的改变、厂房使用功能的变化，厂房抽柱改造的案例越来越多。抽柱增大了柱距，使厂房局部形成大空间，满足了厂房改造的要求，但也对结构刚度造成了削弱。抽柱处的屋架荷载通过托架或托梁传到相邻排架柱，再传到基础。本文通过对排架不同抽柱情况的比较，综合分析抽柱对排架结构的影响。
1 工程概况
在青岛地区改建一单层四跨等高排架结构厂房，该地区抗震设防烈度为6度，基本风压为0.65kN/m2。本厂房跨度为24m，柱距6m，下柱为钢筋混凝土工字形柱截面为850mm×450mm×200 mm×200 mm，上柱为矩形截面为400 mm×500 mm，人字形钢屋架铰接于柱顶，屋面采用1.5m×6m钢筋混凝土大型屋面板。各跨都设有两台A5级10t吊车。局部厂房平面简图和剖面简图见图1、图2。
1-1抽柱排架
图1厂房平面图
图21-1剖面图
2 结构计算
2.1结构模型
（1）对图2中排架进行抽柱，分别用1单元、2单元、3单元、4单元，代表四种排架，见表1
表1计算单元
（2）抽柱排架计算采用“虚拟柱”法。“虚拟柱”法在平面排架抽柱处用一根两端铰接的摇摆柱代替屋架与托架的作用，“虚拟柱”的高度取排架上柱的高度，以方便施加吊车荷载。“虚拟柱”只用来模拟屋架与托架变形协调，其本身计算指标（强度、稳定、长细比）无意义。“虚拟柱”刚度对梁柱铰接排架的内力和柱顶位移无影响，可取任意截面。[1]
本厂房为梁柱铰接的排架结构，因此“虚拟柱”可取任意截面，为了方便，直接取原柱上柱截面。（3）混凝土柱和钢屋架组成的排架结构，计算分析时可用一根实腹钢梁模拟，钢梁截面按照刚度等效原则确定，在计算屋架刚度时需要考虑截面高度变化和腹杆变形的影响，对其惯性矩进行折减。[1]
本文计算中将人字形屋架等效成了一根实腹工字型截面梁。
2.2计算结果
计算软件采用中国建筑科学研究院研制的PKPM软件。各计算单元中各柱柱底的内力见表2、表3、表4、表5、表6。等高排架柱的柱顶位移各柱相等，见表7。
表2 包络弯矩 (kN·m)
表3包络剪力 (kN) (下柱箍筋面积(mm2))
表4包络轴力 (kN)
表5左风弯矩 (kN·m)
表6地震弯矩 (kN·m)
表7位移 (mm)
3 计算结果分析
3.1内力比较
（1）2单元比1单元柱底包络弯矩增大11%~24%，包络剪力增大4%~7%；3单元比1单元柱底包络弯矩增大37%~52%，包络剪力增大9%~22%；4单元比1单元边柱（3-E柱，3-A柱）柱底包络弯矩增大56%，包络剪力增大17%。
2单元与1单元比较，中柱（3-B柱，3-C柱）包络弯矩和包络剪力分别增大24%和7%，边柱（3-E柱，3-A柱）包络弯矩和包络剪力分别增大11%~17%和4%~6%。3单元与1单元比较，中柱（3-C柱）包络弯矩和包络剪力分别增大52%和22%，边柱（3-E柱，3-A柱）包络弯矩和包络剪力分别增大37%，9%。综上可见，抽柱后中柱内力变化比边柱大。
（2）随抽柱增加，柱底包络剪力逐渐增大，但箍筋配筋面积不变，说明配箍面积是由构造要求决定，抗剪承载力对本框架的配箍不起控制作用。
（3）无论抽几根柱，本排架柱轴力基本无变化。
（4）2单元比1单元左风弯矩增大10%~25%，左震弯矩增大约19%；3单元比1单元左风弯矩增大26%~67%，左震弯矩增大约50%；4单元比1单元边柱（3-E柱，3-A柱）柱左风弯矩增大59%~76%，左震弯矩增大约110%。
地震作用下的弯矩随抽柱增长，各柱增长幅度基本相同。
风荷载作用下的弯矩随抽柱增长，中间柱增长幅度大于边柱。而这正是包络内力变化出现中柱增长幅度大于边柱的原因。说明风荷载对结构的内力影响显著。
3.2位移比较
（1）风荷载作用下的柱顶位移随抽柱增加显著增大（26%~150%）。地震作用下的柱顶位移随抽柱增加显著增大（14%~100%）。
（2）本厂房的基本风压较大（0.65kN/m2），设防烈度较低（6度），但抽柱后，地震作用下的弯矩、柱顶位移增加都大于风荷载。说明，厂房较矮时，地震荷载对于排架抽柱的影响更大。
（3）随抽柱根数增加，吊车荷载下的轨顶位移总体增加，但是3单元比2单元的反而减小了，这是由于对称抽柱减小了吊车荷载的不利组合值。
4 结论
（1）本厂房中，随着抽柱根数的增加，柱底弯矩、剪力，柱顶位移，逐渐增大，但柱的轴力和配箍面积基本不变。在排架结构厂房抽柱改造中，应重点考虑柱底抗弯承载力和加强抗侧移刚度。
（2）在设防烈度为6度的地区，当厂房较矮时，对于抽柱排架，地震作用在水平荷载中起主要作用，但是风荷载的作用仍很显著。
（3）对称抽柱有利于减小吊车荷载作用下的轨顶位移。
（4）抽多根柱后不满足刚度要求，可加大柱截面，以增大排架刚度，同时增加柱间支撑，以增加各榀排架间的相互约束，减少抽柱排架的位移。
参考文献
[1]张志强，张柯，赵锋，李擘.钢筋混凝土抽柱排架结构计算分析[J].工业建筑,2008,38(12)：110-112
[2]蒋理，江科文.单层抽柱钢结构厂房的结构分析[J].重庆建筑,2010,9(77)：32-35
[3]毕朝锐，史志强.关于抽柱钢排架的设计计算[J].工业建筑，2008,38增刊：584-586
[4]于大永，张继宏.混凝土廠房抽柱的钢结构加固方案[J].钢结构，2010,3(25)：45-46
[5]GB5009-2001[S].建筑荷载规范2006
[6]GB50010-2010[S].混凝土结构设计规范2011