輕鋼結(jié)構(gòu)中的檁條設(shè)計(jì).doc

輕鋼結(jié)構(gòu)中的檁條設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)ARCH/TECTURALDEslGNMANAGEMENT輕鋼結(jié)構(gòu)中的檁條設(shè)計(jì)王永亮(秦皇島市建筑設(shè)計(jì)院,河北秦皇島066001)【摘要】近年來隨著鋼結(jié)構(gòu)特別是門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來越普及,本文將針對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計(jì)從計(jì)算,連接及實(shí)際設(shè)計(jì)中的做法提出自己的觀點(diǎn)和建議.【關(guān)鍵詞】檁條;拉條;隅撐【中圖分類號(hào)】TU209【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】C【文章編號(hào)】16731093(2005)010050031引言檁條是有檁體系和墻架中的主要構(gòu)件,由于使用的覆蓋面大,用鋼量相當(dāng)可觀,故在檁條設(shè)計(jì)中如能合理選型及布置,將取得很高的經(jīng)濟(jì)效益.實(shí)腹式檁條的常用形式有冷彎薄壁C型鋼,Z型鋼,熱軋槽鋼,高頻焊接H型鋼,焊接H型鋼,蜂窩梁等多種形式.其中Z型鋼最適用于屋面及墻面,特別是屋面檁條的最合理形式,但由于材料供應(yīng)等條件的影響,應(yīng)用受到一定的限制.后四種檁條形式主要用于大跨度及重型屋面,而冷彎薄壁C型鋼檁條在輕鋼結(jié)構(gòu)檁條設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛.一般人認(rèn)為檁條設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單,其實(shí)筆者感到輕鋼結(jié)構(gòu)中的檁條設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的.首先,在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500172003(以下簡(jiǎn)稱鋼規(guī))及門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程CECS102:2002(以下簡(jiǎn)稱門規(guī))都沒有明確實(shí)用的計(jì)算公式用于理論計(jì)算;其次,檁條受力復(fù)雜,要想精確計(jì)算檁條受力性能非常困難,因?yàn)闄_條首先承擔(dān)屋面荷載,負(fù)責(zé)傳遞給剛架梁,大多數(shù)情況下檁條還兼作屋面水平支撐的壓桿,同時(shí)還會(huì)受到屋面的蒙皮效應(yīng)的影響及隅撐的作用,而且在計(jì)算中還必須考慮檁條屈曲后的有效截面問題.這些都使得檁條的計(jì)算很復(fù)雜.以下筆者主要從檁條的計(jì)算,連接等方面談?wù)勛约旱目捶?2檁條的設(shè)計(jì)計(jì)算在實(shí)際設(shè)計(jì)中為簡(jiǎn)化計(jì)算通常把檁條設(shè)計(jì)成以下兩種:2.1簡(jiǎn)支檁條按簡(jiǎn)支單跨等截面雙向彎曲梁計(jì)算.由于施工及制作安裝較為方便,目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較多.特點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單,用鋼量大.50.20115rl!t3t2.1.1強(qiáng)度計(jì)算:將屋面或墻面的荷載折算成沿檁條長度分布的均布線荷載并按檁條形心主軸分解得到沿兩個(gè)主軸作用的線荷載分量:qyqcosot檁條在剛度最大主平面(對(duì)X軸)由gy引起的彎距:Mx=qyL/8.L為檁條的跨度檁條在剛度最小主平面(對(duì)Y軸)由引起的彎距:(設(shè)有拉條時(shí)視拉條為檁條的側(cè)向支撐點(diǎn))檁間無拉條時(shí):跨中彎距為My=qxL2/8一根拉條位于L/2時(shí):跨中負(fù)彎距為My=一qxL2/32兩根拉條位于L/3時(shí):1/3處的彎距為My:L/90跨中正彎距為My=qxL/360當(dāng)屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)時(shí)可不計(jì)算檁條的整體穩(wěn)定,僅按下式計(jì)算其強(qiáng)度:Mx/ixWrtx+My/ryWnyf式中,r)-為截面;塑性發(fā)展系數(shù),對(duì)冷彎薄壁C型鋼=ry=1.0if為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值.為精確計(jì)算還應(yīng)進(jìn)行截面的有效換算,得到有效凈截面模量與毛截面模量的關(guān)系大約為:Wenx=0.89Wnx,Weny=0.93Wny,可近似取為0.9.2.1.2穩(wěn)定計(jì)算:檁條的穩(wěn)定計(jì)算是由受壓翼緣的彎扭引起的.由于屋面板固定在檁條的上翼緣,對(duì)檁條有側(cè)向支撐作用,此時(shí)不考慮彎扭失穩(wěn)問題.當(dāng)屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)時(shí)可不計(jì)算檁條的整體穩(wěn)定當(dāng)屋面不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)時(shí)應(yīng)計(jì)算檁ARCHITECTURALDES|GNMANAGEMENT工程設(shè)計(jì)條的整體穩(wěn)定,可按下式計(jì)算其穩(wěn)定應(yīng)力:Mx/rbxWex)+My/Wey<fWexwey對(duì)主軸XY的有效截面模量;MxMy當(dāng)所驗(yàn)算點(diǎn)為壓應(yīng)力時(shí)取負(fù)號(hào),為拉應(yīng)力時(shí)取正號(hào)+bx受彎構(gòu)件繞強(qiáng)軸的整體穩(wěn)定系數(shù),按下式計(jì)算:bx=4320Ah1l【(112+垂)+q1235/(Iy2wxfy)r/:22ea/h=41w/(h.1y)+(Lo/0.1561t/ly入v檁條在彎距作用平面外的長細(xì)比A毛截面面積h截面高度檁條的側(cè)向長度計(jì)算系數(shù),Lo:bL,IXb按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)>(上冊(cè))(中國建筑工業(yè)出版社)114頁表71采用.L為檁條的跨度毫1毫2:系數(shù),見上表ea橫向荷載作用點(diǎn)到截面彎心的距離,對(duì)于偏心壓桿或當(dāng)橫向荷載作用在截面彎心時(shí)為0,當(dāng)荷載不作用在截面彎心且荷載方向指向截面彎心時(shí)ea為負(fù),而離開彎心時(shí)ea為正.Wx對(duì)主軸X的受壓邊緣毛截面模量1w毛截面扇性慣性距Iv對(duì)Y軸的毛截面慣性距It扭轉(zhuǎn)慣性距按上式計(jì)算的4,bx植大于0.7時(shí),則應(yīng)以bx代替66=1.0910.274/4,b當(dāng)檁條在永久荷載和風(fēng)吸力作用下下翼緣受壓時(shí),因?yàn)榘凑臻T規(guī)附錄E計(jì)算檁條下翼緣在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定計(jì)算公式中沒有考慮拉條的側(cè)向支撐作用,受拉翼緣的約束作用沒能反映出來.實(shí)際上拉條不僅使側(cè)向水平分量產(chǎn)生的側(cè)向彎距降低,而且拉條與屋面板共同組成對(duì)檁條下翼緣的彎距約束可顯著提高檁條下翼緣受壓的穩(wěn)定承載力.因此按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500172003或冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB500182002附錄進(jìn)行檁條下翼緣受壓的計(jì)算是較為成熟和妥當(dāng)?shù)?2.1.3撓度計(jì)算簡(jiǎn)支檁條的撓度v:5qLcoso/(384EIx)v】其中q取為荷載標(biāo)準(zhǔn)值.Ix為主軸X的毛截面慣性距根據(jù)門規(guī)規(guī)定:僅支撐壓型鋼板屋面(承受恒載或活載)的撓度限值v】為L/150;上有吊頂時(shí)L/240;有吊頂且抹灰時(shí)L/360.(L為檁條的跨度)2.2連續(xù)檁條由于z型連續(xù)檁條內(nèi)力分布均勻,剛度大,能節(jié)約大量鋼材,具有很好經(jīng)濟(jì)的效益,目前在實(shí)際工程中愈來受到人們的重視和應(yīng)用.但是由于我國規(guī)范對(duì)連續(xù)檁條的計(jì)算尚未形成一套簡(jiǎn)單而又妥當(dāng)完善的計(jì)算方法,而且荷載的分布對(duì)連續(xù)檁條的內(nèi)力分析影響很大,特別是活荷載的分布.根據(jù)浙江大學(xué)杭蕭鋼結(jié)構(gòu)研究中心的冷彎斜卷邊z型連續(xù)檁條的抗彎性能實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)方法研究>的報(bào)告:由于支座處存在著裂縫及連接孔,故在支座搭接區(qū)有一定程度的松動(dòng),導(dǎo)致部分彎矩釋放,這樣支座處的彎矩小于等截面連續(xù)梁的彎矩而跨中彎矩則大于等截面連續(xù)梁跨中的彎矩,而且檁條的實(shí)際撓度大于等截面連續(xù)梁的實(shí)際撓度值.故在實(shí)際工程中z型連續(xù)檁條的通常算法是:做成上下翼緣不等寬,以便于施工安裝的嵌套連接,檁條的搭接長度一般取跨度的1/10可滿足構(gòu)成連續(xù)檁條的基本條件;內(nèi)力計(jì)算時(shí)按等截面連續(xù)梁計(jì)算,先按50%活載均勻滿布得到一個(gè)效應(yīng)值Sl,再用50%活載按最不利隔跨布置得到第二個(gè)效應(yīng)值S2,兩者相加即為最不利活載所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)值S.再考慮支座處的彎矩釋放10%,檁條的極限承載力由支座處的最大彎矩值控制.目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員不考慮支座處的雙檁條強(qiáng)度,這樣計(jì)算結(jié)果很不經(jīng)濟(jì).筆者認(rèn)為既能做到節(jié)省鋼材同時(shí)又安全合理的做法應(yīng)是:支座處搭接區(qū)的剛度和抗彎模量按雙檁條的代數(shù)和考慮,第一跨檁條的厚度大于其余各跨厚度,且同時(shí)考慮支座搭接區(qū)由于松動(dòng)造成的彎矩釋放10%.這樣既經(jīng)濟(jì)又安全,不失為一個(gè)很好的設(shè)計(jì)方法.3檁條的連接3.1拉條的設(shè)置根據(jù)Iq規(guī),當(dāng)檁條跨度大于4m時(shí),宜在檁條間跨中設(shè)置拉條;跨度大于6m時(shí)宜在檁條跨度三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條,在屋脊處還應(yīng)設(shè)置斜拉條及撐桿.拉條雖/J,作用不/J,.實(shí)際上有檁體系的壓型鋼板輕型屋面,拉條起著承受檁條側(cè)向力,減/J,檁條的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn),減/J,檁條的計(jì)算長度,保證檁條的側(cè)向穩(wěn)定的作用.拉條一般通過螺栓與檁條連接,拉條與屋面板的共同作用能有效地提高檁條的整體抗扭剛度和減少外部荷載引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng).雖然在檁條下翼緣附近有無拉條對(duì)2005fl:5a,-1刪.51?工程設(shè)計(jì)ARcH|TEcTURALDEslGNMANAGEMENT檁條的抗彎承載力有很大影響,但當(dāng)拉條強(qiáng)度滿足后,拉條的剛度對(duì)抗彎和壓彎承載力的影響可忽略.所以門規(guī)推薦拉條的最小直徑取為10mm,去除車絲對(duì)截面的削弱及銹蝕等因素外是可行的,但應(yīng)注意:每一個(gè)坡面上的檁條是一個(gè)大的串聯(lián)系統(tǒng),因此檁條的受力是不均勻的,恒活荷載作用下離屋脊處越近的拉條內(nèi)力越大,而在風(fēng)吸力作用下正好相反.所以筆者建議:在檁條的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮多根檁條由拉條串聯(lián)后的內(nèi)力疊加.斜內(nèi)受為向壓型鋼板與檁條應(yīng)可靠連接以保證屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn).這對(duì)無須驗(yàn)算整體穩(wěn)定的實(shí)腹式檁條由為重要.檁條與屋面板的連接一般用帶橡膠墊圈的自攻螺絲連接,間距300mm400mm.3.4檁條與隅撐的連接檁條設(shè)計(jì)必然會(huì)涉及隅撐.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定:當(dāng)實(shí)腹式剛架斜梁下翼緣或剛架柱內(nèi)翼緣受壓時(shí),必須在受壓翼緣兩側(cè)拉條.拉條與檁條的連接節(jié)點(diǎn)在門規(guī)中已有說明,一般做法為將拉條連在檁條上部1/3高度處.這樣在外荷作用下,拉條可提供較大的抗扭約束.當(dāng)然還有其他的連接方法,具體情況應(yīng)根據(jù)具體的工程區(qū)別對(duì)待.3.2檁條與屋面梁的連接目前檁條與屋面剛架梁的連接主要有兩種方法:第一種在檁條下翼緣上開孔,用普通螺栓直接連接于梁上.這種情況下翼緣直接承受支座反力,很有可能引起腹板的壓屈,當(dāng)腹板的高厚比較大(大于200mm)時(shí),此種連接不可取.第二種作法是:在屋面梁上焊檁托(用角鋼或鋼板制作)在檁托上開孔,用普通螺栓與檁條相連,檁條每端螺栓數(shù)應(yīng)為兩個(gè),對(duì)于腹板高厚較大的檁條還應(yīng)在連接孔上加設(shè)厚墊片來提高螺栓孔處局部的抗屈曲能力.3.3檁條與屋面板的連接.52.2005rl!Ut利.因此門規(guī)規(guī)定:當(dāng)計(jì)算檁條時(shí),不應(yīng)考慮隅撐的影響.4結(jié)論本文主要針對(duì)實(shí)腹式C型檁條的設(shè)計(jì)計(jì)算和連接構(gòu)造進(jìn)行了分析討論,并提出