结构中的刚性系杆

[摘  要]：用材料力学知识推导说明了管状截面同外径情况下，壁厚越小，回转半径越大。并推导了最小壁厚3mm时，钢管刚性系杆，轻型门式刚架结构与普通刚、排架结构的钢管刚性系杆最小外径计算公式。

[关键词]：刚架、排架，回转半径，惯性矩，管状截面，外径、内径。

刚架结构和排架结构的支撑系统中经常要用到钢刚性系杆。钢刚性系杆都是按受压设计的。由于刚性系杆相对来说承受的压力都不大，其截面都是长细比控制的。所谓的长细比就是构件的计算长度与截面计算长度相应方面的回转半径之商：。刚性系杆与主体结构都是铰接连接的。刚性系杆在支撑平面内和支撑平面外的计算长度都是一样的。所以刚性系杆往往采用截面回转半径较大的钢管。

我司在优化咨询过程中碰到过极个别的设计院刚性系杆采用两个方向回转半径相差悬殊的H型钢。显然是极不合理的。本文不是讨论采用H型钢作为刚性系杆的合理性。因为这只是极个别设计人的行为。讨论这个问题没有现实意义。本文要讨论的是采用钢管作为刚性系杆的合理性问题。经常遇到的设计将钢管作为刚性系杆的钢管壁厚都选择得很厚。如一个项目刚性系杆计算长度为6000，设计采用φ114x6的钢管。我司建议采用φ114x3。设计以减小了结构安全度为由不予采纳优化建议。我院通过三方会议阐述了降低钢管壁厚除节省刚性系杆钢材用量48.6%外还增加结构安全度的观点说服了设计院。

对于管状截面，同样外径的，壁厚越小，其回转半径越大，这样构件的长细比就越小，压杆的安全度就越高。具体推测如下：

设D为管的外径，d为管的内径。则管面积，管的惯性矩，

回转半径

从上式可知内径d越大，则r越大。内径d越大则壁厚就越小。结论就是管状截面，管壁越薄的，其截面的回转半径就越大。

那么是否管壁可以无限小吗？回答是不能的，管壁太薄了，构件的耐久性就越差。壁厚一般不小于3mm。最经济的厚度为3mm。这样当房子为轻型门式钢架结构时，刚性系杆的长细比限值为λ=220。对于长度为l的刚性系杆，最小最经济的刚性系杆外径如那个实例，l=6000，D≥3+77.1=80.1，可取D=85。如l=7500，则D≥3+99.4=101.4，可取D=105或110。

如果不是轻型门式刚架结构。则规范规定刚性系杆的长细比限值为λ=200。则同理推得。

有了上述两个公式，设计人很容易求得最经济的刚性系杆的外径尺寸。