輕型門式剛架設計原理和設計實例4次結構

1、第四章 次結構及其連接構造檁條、墻檁和檐口檁條構成輕型鋼結構建筑的次結構系統(tǒng)。一方面，它們可以支承屋面板和墻面板，將外部荷載傳遞給主結構；另一方面，它們可以抵抗作用在結構上的部分縱向荷載，比如縱向的風荷載，地震作用等；此外，它們也作為主結構的受壓翼緣支撐而成為結構縱向支撐體系的一部分。檁條是構成屋面水平支撐系統(tǒng)的主要部分；墻檁則是墻面支撐系統(tǒng)中的重要構件；檐口檁條位于側墻和屋面的接口處，對屋面和墻面都起到支撐的作用。圖4-1 典型的冷彎薄壁型鋼構件除柱距較大的結構需采用熱軋工字鋼外，輕型門式剛架的檁條，墻檁以及檐口檁條一般都采用帶卷邊的槽形和Z形（斜卷邊或直卷邊）截面的冷彎薄壁型鋼，如圖4-1

2、所示。 第一節(jié) 冷彎薄壁型鋼的一般特點冷彎薄壁型鋼構件用相對較少的材料承受較大的外荷載，不是單純用增大截面面積，而是通過改變截面形狀的方法獲得。根據(jù)測算，同樣截面積的冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼相比，回轉半徑可增大80%，慣性矩和面積矩可增大50-180%。所以，冷彎薄壁型鋼抗壓和抗彎性能好，整體剛度大。由于冷彎薄壁型鋼在室溫下成型，材料將產(chǎn)生冷彎效應。所謂冷彎效應，是指冷加工使材料達到塑性變形，材料結構發(fā)生變化，產(chǎn)生應變硬化和應變時效，使截面彎角部分材料強度提高，塑性降低。影響材料冷彎效應的因素有鋼材極限強度和屈服強度的比值；彎角半徑和板厚的比值；冷加工的成型方式、次數(shù)、受力性質等?？紤]材料的冷彎

3、效應，一般可以提高設計強度10-15%，但是一般只在構件全截面有效時才在計算中考慮設計強度的提高，否則可以將冷彎效應作為設計中的強度儲備。圖4-2解釋了冷彎效應構件強度提高的原因。A曲線是鋼材未冷加工的標準的應力-應變曲線；鋼材冷加工超過材料屈服強度達到塑性段，之后沿B直線卸載，這是應變硬化的過程；加載的C曲線沿B直線，直線段高于A曲線的屈服平臺，甚至由于應變時效的作用，C-D曲線的屈服平臺還高于B直線的卸載點。可以看出冷彎效應提高了鋼材的屈服強度，但塑性降低了。DCCBAA應力圖4-2 冷彎效應冷彎薄壁型鋼構件板件寬而薄，在壓應力作用下，截面板件容易產(chǎn)生凸曲變形，發(fā)生局部失穩(wěn)。但是板件在局部

4、失穩(wěn)后并不立即喪失承載能力，而是仍能承擔一定的荷載增量直至構件整體失效，這個過程稱為屈曲后強度的利用?？梢圆捎糜行挾确ɑ蛴行Ы孛娣ǜ拍罾冒寮蚪孛娴那髲姸?。冷彎薄壁型鋼由于自由扭轉剛度小，而且大多數(shù)截面剪心和形心不重合，因此構件中存在彎曲和扭轉的共同作用。彎扭屈曲是其常見的破壞形式，必須在設計中加以防止。除了采用更好的截面形式（雙軸對稱，閉合構件）外，常見的構造措施有增加支座和跨中處的側向支承，比如端加勁肋，檁托，撐桿等。第二節(jié) 有效寬度法的基本概念一、有效寬度的概念設計冷彎薄壁型鋼構件允許考慮構件的屈曲后強度，不同邊緣支承的板件屈曲應力和屈曲后性能不同,截面內板件的分類一般如下所示（

5、見圖4-3）：(1)加勁板件，也稱兩邊支承板件，比如C型、Z型構件的腹板；(2)未加勁板件，即一邊支承，一邊自由板件，比如無卷邊的C型構件的翼緣；(3)部分加勁板件，包括1、 邊緣加勁板件和中間加勁板件。邊緣加勁板件是指一邊支承，一邊帶卷邊的板件，比如，卷邊C型、Z型構件的翼緣部分；中間加勁板件是指兩邊支承且?guī)е虚g加勁肋的板件，比如許多壓型鋼板。圖4-3 截面板件的分類2、3、 中間加勁板件， 有效寬度得到后還需要定義有效寬度的分布。對于均勻受壓板件，有效寬度對稱分布在加勁板件的兩側，靠加勁邊分布在非加勁板件的一側，根據(jù)卷邊加勁剛度按比例分布在邊緣加勁板件兩側；對于非均勻受壓板件，受拉區(qū)全截面

6、有效，受壓區(qū)根據(jù)應力分布按比例分布在板件受壓區(qū)兩邊。圖4-4給出了分布示意。a) 加勁板件 b)部分加勁板件 c)非加勁板件圖4-4 各種類型板件的有效寬度分布二、有效寬度計算現(xiàn)行規(guī)范對各類板件的有效寬度定義了一套統(tǒng)一的公式，如下所示： (4-1) (4-2) (4-3)上式中，b 代表板件寬度；t 為板件厚度；be為板件有效寬度；為計算系數(shù)，按式（4-4）取值： (4-4)這里， 表示壓應力分布不均勻系數(shù)， ；max和min分別為受壓板件邊緣最大壓應力和另一邊緣的應力，以受壓為正受拉為負。式（4-1）（4-3）中，bc 為板件受壓區(qū)寬度，按下式取用：0，bc=b； <0，bc=b/(1

7、-)； (4-5)式（4-1）（4-3）中的為計算系數(shù)， (4-6)上式中，1為板件最大設計應力，根據(jù)下述情況取用：（1）軸心受壓構件：因為軸心受壓構件截面上承受的最大壓應力是由壓桿整體穩(wěn)定控制的，所以根據(jù)構件毛截面的最大長細比求得的穩(wěn)定系數(shù)，1=f；（2）壓彎構件：由內力M、N按毛截面計算的邊緣應力，及不均勻系數(shù)。令f，計算出f；（3）拉彎構件和受彎構件：由內力M，N按毛截面計算的最大壓應力及不均勻系數(shù)。（4）板件受拉部分全部有效。式（4-6）中k為單板受壓屈曲系數(shù)，按以下情況取用：（1）加勁板件： (4-7) (4-8)（2）部分加勁板件1）最大壓應力在支承邊（圖4-5中情況） (4-9)

8、2）最大壓應力在加勁邊（圖4-5中情況） (4-10)（3）非加勁板件1）最大壓應力在支承邊（圖4-5中情況） (4-11) (4-12) (4-13)2）最大壓應力在自由邊（圖4-5中情況） (4-14)當<-1時取-1。圖4-5 部分加勁板件和非加勁板件的應力分布示意式（4-6）中k1為受壓板件的板組約束系數(shù)。對于圖4-6中的卷邊槽鋼截面，板件b1和b2若考慮板組相關約束影響，其條件是相鄰兩板件臨界應力必須相等，即。圖4-6 板組相互作用令：，其中，1、2分別為板b1、b2的約束系數(shù)；kb1,、kb2分別為板b1、b2單板的屈曲系數(shù)。于是，。令。根據(jù)以上說明，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定： （4-1

9、5） （4-16） (4-17)上式中，c為計算板件相鄰的板件寬度；k、kc分別為計算板件及相鄰板件為單板時的屈曲系數(shù)，對加勁板k1；對部分加勁板，k124；對非加勁板k13。有了構件的有效寬度，還必須知道有效寬度的分布，圖4-4中的有效寬度分布按以下公式計算。對加勁板件： （4-18） （4-19）對非加勁板件和部分加勁板件： （4-20）第三節(jié) 屋面檁條的構造和計算一、 布置和構造輕型門式剛架的檁條構件可以采用C型冷彎卷邊槽鋼和Z型帶斜卷邊或直卷邊的冷彎薄壁型鋼。構件的高度一般為140-250mm，厚度。冷彎薄壁型鋼構件一般采用Q235或Q345，大多數(shù)檁條表面涂層采用防銹底漆，也有采用鍍

10、鋁或鍍鋅的防腐措施。1、檁條間距和跨度的布置檁條的設計首先應考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、及檁條供貨規(guī)格的影響，以確定檁條間距，并根據(jù)主剛架的間距確定檁條的跨度。確定最優(yōu)的檁條跨度和間距是一個復雜的問題。隨著跨度的增大，主剛架及檁條的用量勢必加大。但主剛架榀數(shù)的減少可以降低用鋼量，檁條間距的加大也可以減少檁條的用量。厚度更大的檁條也可以降低單位用鋼量的價格。但是檁條跨度的加大，支撐用量也相應增多。所有這些因素需要綜合考慮。我國這方面內容的研究相對較少，英國對90米長的建筑作過系統(tǒng)的研究，結果顯示，對于跨度超過20米的框架，米的框架間距是最優(yōu)的；對于跨度小于20米的框架，米的框架是最優(yōu)的

11、。這個結果在我國只能參考使用。附表4-14-12給出了根據(jù)3D3S軟件計算得到的門式剛架中各種柱距、檁條間距、檁條截面和檁條用鋼量的相互關系，可供讀者在實際工程設計中參考采用。2、簡支檁條和連續(xù)檁條的構造檁條構件可以設計為簡支構件，也可以設計為連續(xù)構件。有關簡支檁條和連續(xù)檁條的計算及構造比較詳見第5節(jié)。簡支檁條和連續(xù)檁條一般通過搭接方式的不同來實現(xiàn)。簡支檁條不需要搭接長度，圖4-7是Z型檁條的簡支搭接方式，其搭接長度很小，對于C型檁條可以分別連接在檁托上。采用連續(xù)構件可以承受更大的荷載和變形，因此比較經(jīng)濟。檁條的連續(xù)化構造也比較簡單，可以通過搭接和擰緊來實現(xiàn)。帶斜卷邊的Z型檁條可采用疊置搭接，

12、卷邊槽型檁條可采用不同型號的卷邊槽型冷彎型鋼套來搭接，圖4-8顯示了連續(xù)檁條的搭接方法。注意在端跨檁條的搭接與中間跨的搭接稍有不同，主要是因為端跨框架要跟山墻墻架連接。設計成連續(xù)構件的檁條搭接長度有一定的要求，連續(xù)檁條的工作性能是通過耗費構件的搭接長度來獲得的，所以連續(xù)檁條一般跨度大于6米，否則并不一定能達到經(jīng)濟的目的。圖4-7 檁條布置（中間跨，簡支搭接方式）圖4-8檁條布置（連續(xù)檁條，連續(xù)搭接）3、側向支撐的設置如前所述，外荷載作用下檁條同時產(chǎn)生彎曲和扭轉的共同作用。冷彎薄壁型鋼本身板件寬厚比大，抗扭剛度不足；荷載通常位于上翼緣的中心，荷載中心線與剪力中心相距較大；因為坡屋面的影響，檁條腹

13、板傾斜，扭轉問題將更加突出。所有這些說明，側向支撐是保證冷彎薄壁型鋼檁條穩(wěn)定性的重要保障。（1）、屋面板的支撐作用首先，可以將屋面視為一大構件，承受平行于屋面方向的荷載（如風、地震作用等），稱之為屋面的蒙皮效應?？紤]蒙皮效應的屋面板必須具有合適的板型，厚度及連接性能，主要是一些用自攻螺絲連接的屋面板，可以作為檁條的側向支撐，使檁條的穩(wěn)定性大大提高?？酆鲜交蛞Ш鲜降奈菝姘宀荒軐_條提供很好的側向支撐。（2）、拉條和支撐提高檁條穩(wěn)定性的重要構造措施是采用拉條或撐桿從檐口一端通長連接到另一端，連接每一根檁條。檁條的側向支撐不宜太少，根據(jù)檁條跨度的不同，可以在檁條中央設一道或者在檁條中央及四等分點處各

14、設一道共三道拉條。一般情況下檁條上翼緣受壓，所以拉條設置在檁條上翼緣1/3高的腹板范圍內。由于需要考慮檁條在風吸力作用下的翼緣受壓，需要把拉條設置在下翼緣附近。考慮到蒙皮效應，可以考慮上翼緣的側向穩(wěn)定性由自攻螺絲連接的屋面板提供，而只在下翼緣附近設置拉條；但對于非自攻螺絲連接的屋面板，則需要在檁條上下翼緣附近設置雙拉條。對于帶卷邊的C型截面檁條，因在風吸力作用下自由翼緣將向屋脊變形，因此宜采用角鋼截面或方管截面作撐桿。研究表明，風吸力引起側向無支撐檁條和墻梁內翼緣失穩(wěn)，是造成檁條和墻梁破壞的主要原因。所以，設置合理的支撐布置形式是非常重要的。采用拉條應在檐口處設置斜拉條，牢固地與檐口檁條在剛架

15、處的節(jié)點連接。圖4-9(a)給出了一般結構拉條設置的方法。屋脊處的支撐起著將兩側的支撐聯(lián)系起來的作用，以防止所有檁條向一個方向失穩(wěn)，所以屋脊連接處多采用比較牢固的連接。圖4-9(b)給出了采用槽鋼支撐的屋脊連接。（3）檁托在簡支檁條的端部或連續(xù)檁條的搭接處，考慮設置檁托是比較妥善的防止檁條在支座處傾覆或扭轉的方法。檁托常采用角鋼，高度達到檁條高度的3/4，且與檁條以螺栓連接。圖4-9(c)示意了檁托的設置方法。檁條構件之所以要離開主梁一段距離，主要是防止薄壁型鋼構件在支座處的腹板壓曲，如圖中虛線所示。？圖4-9 檁條的支撐(4)、檁條和撐桿的布置拉條和撐桿的布置應根據(jù)檁條的跨度、間距、截面形式

16、、和屋面坡度、屋面形式等因素來選擇，參考下列建議采用：1）當檁條跨度L4m時,通?？刹辉O拉條或撐桿；當4mL6m時,可僅在檁條跨中設置一道拉條,檐口檁條間應設置撐桿和斜拉條(圖4-10a)；當L6m時,宜在檁條跨間三分點處設置兩道拉條,檐口檁條間應設置撐桿和斜拉條(圖4-10b)；2）屋面有天窗時,宜在天窗兩側檁條間設置撐桿和斜拉條(圖4-10c、d)； (a) (b) (c) (d)1-剛架; 2-檁條; 3-拉條; 4-斜拉條; 5-撐桿; 6-承重天溝或墻頂梁;圖4-10 檁間拉條（撐桿）布置示意圖3） 當檁距較密時(s/l<0.2),可根據(jù)檁條跨度大小參照圖4-11a設置拉條及撐

17、桿,以使斜拉條和檁條的交角不致過小,確保斜拉條拉緊；4） 對稱的雙坡屋面,可僅在脊檁間設置撐桿(圖4-11b),不設斜拉條,但在設計脊檁時應計入一側所有拉條的豎向分力。 (a) (b)1-剛架; 2-檁條; 3-拉條; 4-斜拉條; 5-撐桿; 6-承重天溝或墻頂梁;圖4-11 檁間拉條（撐桿）布置示意圖（及雙坡對稱屋面）二、設計和計算1、荷載檁條設計的荷載主要有以下5種：（1）屋面材料和檁條自重；（2）屋面均布活荷載；（3）屋面雪荷載和積灰荷載；（4）風荷載，由于屋面較輕，檁條設計的風荷載主要考慮向上的吸力；（5）施工及檢修荷載。設計計算檁條時除了考慮由于豎向荷載作用下產(chǎn)生的內力外，還應考慮

18、其作為縱向支撐體系的一部分而產(chǎn)生的檁條軸向附加內力，如：（1） 檁條作為主剛架斜梁的側向支撐將產(chǎn)生軸力；（2） 防止主剛架斜梁下翼緣受壓屈曲而設置的隅撐將對檁條產(chǎn)生附加的軸力及彎矩；（3） 作為結構體系的縱向水平系桿，由水平支撐傳來的作用力。其中（1）、（2）的附加內力一般不同時產(chǎn)生，作為縱向水平系桿的檁條應設置為雙檁條。2、效應組合檁條設計考慮的效應組合的原則是：（1） 屋面均布荷載不與雪荷載同時作用；（2） 積灰荷載應同雪荷載或屋面活荷載同時作用；（3） 施工荷載僅與屋面及檁條自重同時考慮。推薦考慮以下組合，其中活荷載指的是屋面均布活荷載與雪荷載的較大值并迭加積灰荷載：（1）恒活（2）恒活

19、風（3）恒風活（4）恒施工荷載3、檁條的設計設計檁條時需要考慮檁條的強度、穩(wěn)定及剛度。（1）、薄壁型鋼檁條截面特性的計算1）卷邊槽形冷彎型鋼（厚度為t）I. 全截面截面特性圖4-12 卷邊槽鋼全截面 圖4-12所示截面中， （4-21）II. 有效截面特性圖4-13 卷邊槽鋼有效截面在圖4-13中，假設下翼緣受拉， （4-22）2) 卷邊Z形冷彎型鋼（厚度為t）I. 全截面截面特性圖4-14 卷邊Z型鋼全截面截面符號見圖4-14。 （4-23）由轉軸公式可得：推導可得到： （4-24）II. 有效截面截面特性 截面符號見圖4-15所示：圖4-15 卷邊Z型鋼有效截面 （4-25）（2）、強度設

20、計檁條的強度計算應考慮檁條的有效截面，并按雙向受彎的公式計算，如下所示： (4-26)上式中，Mx，My為對截面主軸x和y的彎矩；Wex，Wey為對截面主軸x和y的有效截面模量。（3）、穩(wěn)定設計對于屋面有很好的支撐、能夠防止檁條的失穩(wěn)和扭轉的情況可只按式(4-26)計算檁條的強度，否則還應按式(4-27)驗算檁條的穩(wěn)定性，穩(wěn)定驗算公式中也采用檁條的有效截面特性。 (4-27)上式中，bx為梁的整體穩(wěn)定系數(shù)。（4）風吸力下的穩(wěn)定驗算屋面及橫向支撐體系可以對檁條的上翼緣起側向支撐和扭轉約束的作用，豎向向下荷載作用下檁條的穩(wěn)定性一般可以保障。風吸力作用下，檁條的最大應力發(fā)生在檁條下翼緣與檁條腹板的交

21、界處，而屋面及支撐體系連在檁條的受拉翼緣側，可以按前述第三節(jié)設置雙拉條來阻止檁條的上下翼緣扭轉。若在檁條下翼緣位置沒有側向支撐，則下翼緣的受壓側極易失穩(wěn)。這種缺少支撐的檁條受力狀態(tài)非常復雜，許多規(guī)范或是取用折減系數(shù)降低其計算的承載力，或是規(guī)定了復雜的計算方法。新修訂的門式剛架規(guī)程仍舊參照了歐洲規(guī)范的計算方法。當屋面能阻止檁條上翼緣側向失穩(wěn)和扭轉時，在風吸力作用下檁條下翼緣的受壓穩(wěn)定性可按下列公式驗算： （4-28） （4-29） （4-30） （4-31） （4-32） （4-33）上式中，Mx為對截面主軸x的彎矩設計值（圖4-12-圖4-14）；Wex為檁條有效截面對主軸x的截面模量，腹板有

22、效面積的分布應按本章第2節(jié)公式確定；My為垂直荷載引起的檁條自由翼緣（下翼緣）的側向彎矩，當自由翼緣受拉時，My為零；My0 為忽略彈性支座約束影響的自由翼緣側向彎矩；qx 為由于截面扭轉引起的作用于自由翼緣的假想側向荷載；q y 為垂直于翼緣的荷載設計值；ly 為拉條間的距離，當無拉條時為檁條跨度；l0 為檁條下翼緣受壓區(qū)長度，簡支檁條取跨長，連續(xù)檁條取單跨內的受壓區(qū)長度；k為系數(shù)，按表4-1所列公式計算；Ifly 為自由翼緣對主軸y的慣性矩，取自由翼緣加1/6腹板高度的截面對主軸y的慣性矩；K 為側向彈簧剛度， (4-33)這里，式中e 為荷載的偏心距，對Z形檁條為上翼緣螺釘中心至腹板中心

23、的距離a，對槽形檁條為上翼緣螺釘至截面彎心的距離，見表4-1所示；h 為檁條截面高度；hd 為檁條腹板展開寬度；t 為檁條厚度；為泊桑比，取；Ct 為抗扭彈簧剛度， （4-34） （4-35） （4-36）上式中，表示面板與檁條連接的抗扭剛度（Nm/m/rad）；表示與面板抗彎剛度相應的抗扭剛度（Nm/m/rad）；為每米長度上檁條與面板連接的緊固件數(shù)目（面板每個肋上不得多于一個）；為系數(shù)，單跨面板可取2；為每米寬度面板的截面慣性矩；為檁條間距（m）； Wfly 為自由翼緣加1/6腹板高度對主軸y的截面模量；為檁條下翼緣壓彎屈曲時的承載力降低系數(shù)， 且 （4-37） （4-38） （4-39）

24、 （4-40），0R200 （4-41） （4-42） （4-43）這里，為缺陷系數(shù)，上翼緣與面板相連時??；表示自由翼緣的相對長細比；表示自由翼緣繞自身y-y軸的長細比；表示自由翼緣的截面面積；為自由翼緣的計算長度；為自由翼緣加1/6腹板高度毛截面對主軸y的回轉半徑；y 為自由翼緣加1/6腹板高度截面的軸心受壓構件對主軸y的穩(wěn)定系數(shù)。當檁條受軸向壓力時，公式（4-28）中尚應計入受壓效應；表4-1 系數(shù)k的計算公式截面類型和荷載K值自由翼緣上水平力作用方向與下翼緣伸出方向相同與下翼緣伸出方向相同注：Iu為截面繞垂直于其高度的軸線的慣性矩，如表中插圖所示。 (5)、剛度檁條的剛度驗算根據(jù)屋面材料

25、的不同有不同的限值。僅支承壓型鋼板的檁條構件撓度一般控制在1/150。（6）、拉條支撐的設計檁條間拉條和撐桿的截面應按計算確定。拉條一般采用張緊的圓鋼，其直徑不得小于8mm；撐桿通常采用方管或角鋼，其長細比不得大于200。張緊的檁條間拉條（撐桿）可視作檁條的側向支撐。拉條（撐桿）的內力可按其所拉接的檁條承受的線荷載的坡向分量（qx1）作用下的連續(xù)梁反力進行計算（圖4-16）。設計時，取受力最大的一根拉條按軸心受拉構件（撐桿按軸心受壓構件）選擇截面。有若干根檁條以拉條拉接時,拉條所承受的最大軸向拉力應取按上法算得的單根檁條使拉條產(chǎn)生的內力與所拉接檁條數(shù)的乘積。 圖4-16 拉條內力計算示意圖第四

26、節(jié) 墻面檁條的構造和計算一、布置和構造墻面檁條的布置與屋面檁條的布置有類似的考慮原則。墻檁的布置首先應考慮門窗、挑檐、遮雨蓬等構件和圍護材料的要求，綜合考慮墻板板型和規(guī)格，以確定墻檁間距。墻檁的跨度取決于主剛架的柱距。當柱距過大，引起墻檁使用不經(jīng)濟時，可設置墻架柱。墻檁的放置方式一般與門窗匹配。墻檁與主剛架柱的相對位置一般有兩種。圖4-17顯示的是穿越式，墻檁的自由翼緣簡單地與柱子外翼緣螺栓連接或檁托連接，根據(jù)墻檁搭接的長度來確定墻檁是連續(xù)的還是簡支的。圖4-18顯示的是平齊式，即通過連接角鋼將墻檁與柱子腹板相連，墻檁外翼緣基本與柱子外翼緣平齊。采用平齊式的墻檁布置方式，墻檁與主鋼架柱簡單地用

27、節(jié)點板鉸接方式相連，檐口檁條不需要額外的節(jié)點板，基底角鋼與柱外緣平齊減少了基礎的寬度。 (a) 穿越式連續(xù)墻檁 (b) 穿越式簡支墻檁 圖4-17 穿越式墻檁圖4-18 平齊式墻檁二、墻面檁條的設計計算冷彎薄壁型鋼的墻檁與檁條的設計方法相似，但也有不同點。墻檁承受的荷載與其布置有關。一般與墻檁連接的墻面板都做成自承重體系，墻檁只承受少量自身重量和風荷載，當開有門窗時，門窗以上的墻面板荷載由墻檁承受，那么它的受荷要大一些。墻檁的設計根據(jù)其與墻面板的連接方式不同而有所變化。當單側與墻面板連接時，若墻面板是自承重體系，則可以按單向受風荷載考慮墻檁的強度和穩(wěn)定問題；若墻面板的重量由墻檁支撐，則應該按雙

28、向彎曲考慮其穩(wěn)定和強度。在風吸力下，墻面板單面連接的墻檁的自由翼緣的穩(wěn)定問題需要象考慮屋面檁條風吸力下作用一樣考慮，也可以采用構造的近自由翼緣的支撐來防止其扭轉和失穩(wěn)。當墻檁的雙側都有墻面板連接時，則側向穩(wěn)定可由墻面板來防止，墻檁只需作強度的驗算。另外，墻檁的剛度驗算也必須進行，根據(jù)墻面板的連接方式，也分為水平及豎向的撓度控制。第五節(jié) 若干問題的討論一、簡支檁條和連續(xù)檁條的比較目前輕鋼門式剛架次結構系統(tǒng)中的檁條設計常采用簡支梁設計，材料利用率偏低。一些國外的建筑公司推薦采用連續(xù)檁條以獲得較為經(jīng)濟的設計。本書針對簡支和連續(xù)檁條的設計作一個全面的比較。實踐中可行的連續(xù)檁條一般有三種連接方式：雙跨連

29、續(xù)，一跨懸挑+一跨簡支，支座搭接連續(xù)。圖19中考慮的結構均采用冷彎卷邊槽鋼150x50x20x2，跨長6米，承受均布荷載1kN/m。圖4-19(a)是四跨的雙跨連續(xù)梁，兩跨連續(xù)之間鉸接；圖4-19(b)是三跨的一跨懸臂一跨簡支結構，懸臂長度為；圖4-19(c)則是三跨搭接的連續(xù)梁；圖4-19(d)是一般的單跨簡支梁。（c）連續(xù)搭接檁條（a）雙跨連續(xù)梁（b）一跨懸臂一跨簡支梁 （d）簡支檁條圖4-19 連續(xù)檁條的實現(xiàn)方式圖4-20給出了圖4-19（a）- (d)中結構相應的彎矩圖，可以看出雙跨連續(xù)梁的最大彎矩出現(xiàn)在支座處，大小和連續(xù)梁的跨中彎矩一致；根據(jù)懸臂的長度不同，一端懸臂的結構彎矩圖形會有

30、不同，在圖20中，跨中最大彎矩只有簡支梁的68%；連續(xù)梁的最大負彎矩也只有簡支梁跨中彎矩的79%。圖4-20 荷載滿布情況下連續(xù)檁條和簡支檁條彎矩（雙跨連續(xù)，一跨懸臂一跨簡支，連續(xù)，簡支）圖4-21給出了圖4-19（a）- (d)中結構相應的撓度圖，可以看出雙跨連續(xù)梁的最大撓度只有出簡支梁的跨中撓度的40%；而一端懸臂的結構，跨中最大撓度是簡支梁的62%；連續(xù)梁的跨中最大撓度是簡支梁的52%。圖4-21 荷載滿布情況下連續(xù)檁條和簡支檁條撓度（雙跨連續(xù)，一跨懸臂一跨簡支，連續(xù)，簡支）在設計連續(xù)檁條的時候，需要考慮檁條對荷載最不利布置的敏感性。圖4-22給出了雙跨連續(xù)檁條的彎矩包羅圖，最大負彎矩大

31、小與簡支構件相同，跨中最不利彎矩則是簡支構件的76%。圖4-22還給出了荷載分布在1-3-4跨時，結構最大撓度出現(xiàn)在第1跨，數(shù)值為簡支構件的70%。因此采用雙跨連續(xù)的檁條可以很好地改善構件的變形。圖4-22 雙跨連續(xù)檁條在荷載不利布置條件下的彎矩包羅圖和最不利撓度圖4-23給出了一跨懸臂一跨簡支連續(xù)檁條的彎矩包羅圖，最大跨中彎矩的大小與簡支構件相同。圖4-23說明：荷載分布在第1跨時，結構最大撓度出現(xiàn)在第1跨，數(shù)值等于簡支構件的撓度。因此一跨懸臂一跨簡支的連續(xù)檁條對荷載最不利布置比較敏感，不宜利用它來改善檁條的受力和變形性能。圖4-23 一跨懸臂一跨簡支檁條在荷載不利布置條件下的彎矩包羅圖和最

32、不利撓度 圖4-24給出了連續(xù)搭接檁條的彎矩包羅圖，最大負彎矩大小相當于簡支構件的93%。圖4-24還說明：荷載分布在第1-3跨時，結構最大撓度出現(xiàn)在第1、3跨，數(shù)值等于簡支構件的撓度的76%。采用連續(xù)搭接檁條，對荷載不利布置適應能力強，檁條的強度和剛度都得到明顯改善。圖4-24 連續(xù)搭接檁條在荷載不利布置條件下的彎矩包羅圖和最不利撓度綜上所述，采用連續(xù)搭接的檁條可以獲得比較經(jīng)濟的檁條設計結果。根據(jù)一些國外設計公司的方法，計算時在搭接區(qū)域考慮單個截面的抗彎剛度，但利用雙倍的截面模量計算強度和穩(wěn)定性，因此搭接長度的理想截斷點選為在負彎矩等于最大支座彎矩的1/2處的位置是合理的。二、C型檁條和Z型

33、檁條的受力及構造比較C型和Z型檁條是目前輕型門式剛架常用的兩種檁條規(guī)格，其截面如下所示：（a）C型檁條 （b）Z型檁條圖4-25 C型和Z型檁條 表4-2給出了C型檁條和Z型檁條的截面特性比較。表4-2 C型和Z型檁條截面特性比較h(mm)b(mm)a(mm)t(mm)Z0(mm)/m(Kg/m)A(mm2)IX1(mm4)C160X60X20X216060202582Z160X60X20X216060202°5952352000Iy1(mm4)Iw(mm4)Ix(mm4)Iy (mm4)Wx1(mm3)Wy1(mm3)Wxmax(mm3)Wxmin(mm3)C160X60X20X2

34、476350141725002195200274190-2744027440Z160X60X20X24666002338200025790001522002940077803417027720Wymax(mm3)Wymin(mm3)ix1(mm)iy1(mm)ix(mm)iy(mm)C160X60X20X2148916593-Z160X60X20X2656044002816從表4-2的截面特性比較可以看出：（1）這兩種規(guī)格檁條在用鋼量一樣的情況下，繞平行于屋面的軸，Z型檁條截面特性略大于C型檁條；繞垂直于屋面的軸，在不利一側Z型檁條截面特性也略大于C型檁條。而檁條是按平行于屋面和垂直于屋面進行

35、驗算，因而Z型檁條受力性能稍好一些。（2）對于Z型檁條在20°左右時，繞x-x軸、y-y軸的截面特性與繞x1-x1軸、y1-y1軸的截面特性比較接近，所以Z型檁條適用于屋面坡度比較大的情況。（3）在屋面坡度較小時，C型檁條自重產(chǎn)生偏心較小，在屋面坡度較大時，Z型檁條自重產(chǎn)生偏心較小。（4）Z型檁條在制作和安裝上較C型檁條麻煩。三、卷邊Z型檁條擺放角度對檁條受力性能的影響卷邊Z型鋼檁條（圖4-26）繞主軸x-x的剛度較大，在屋面荷載作用下?lián)隙容^小，受力較為合理，用鋼量省，構造簡單，制作、安裝方便，且可疊合堆放、運輸，占地少，是當前比較經(jīng)濟合理的一種實腹式檁條，為各國所普遍采用。但因為我

36、國目前的冷彎型鋼產(chǎn)品規(guī)格有限，其主軸的傾角多為20°24°左右，故卷邊Z型鋼檁條主要用于坡度較大的屋面（>=1/3），這時屋面荷載作用線與截面主軸方向相當接近,較為經(jīng)濟。圖4-26 卷邊Z型鋼主慣矩示意圖下面通過一個算例比較說明卷邊Z型鋼檁條的擺放角度對檁條受力性能的影響。屋面采用簡支檁條，截面為實腹式冷彎斜卷邊Z型鋼。跨度L=6m，檁距為，中間設一道拉條。檁條及拉條鋼材均為Q235。分別采用兩種屋面坡度，第一種坡度為，第二種坡度為。檁條上所承受的荷載為恒載0.3 kN/m，活載0.75 kN/m?？紤]一種荷載組合為恒載+活載。1、內力計算檁條對X軸由Qx引起的彎矩，

37、按單跨簡支梁計算；對Y軸由Qy引起的彎矩，考慮拉條作為側向支撐點，按多跨連續(xù)梁計算。經(jīng)計算可知，由荷載組合引起的內力彎矩如圖4-27所示。其中L=6m，L1=3m，××。圖4-27 檁條彎矩示意圖2、冷彎斜卷邊Z型鋼檁條的截面特性，單位mmA=748 Ix=3231300， Iy=231400 20°Wx1=360100 Wy1=99000 3、截面主軸x、y方向的線荷載分量按下列公式計算： 情況1：屋面坡度為時，即°，°。這時，= 0.35 kN/m，= 1.37 kN/m。對檁條跨中截面進行驗算：Mx= 1/8 Qy*L*L，MB= 1/8

38、 Qx*L1*L1檁條跨中截面的內力：Mx，My= MB考慮屋面能阻止檁條失穩(wěn)和扭轉，按照公式（4-25）進行強度驗算：首先確定有效截面：按照毛截面尺寸確定截面上的應力分布，經(jīng)計算得到截面上的應力分布如圖4-28所示圖4-28 檁條有效面積分布示意圖（屋面坡度）從圖4-28中可以看出，在用毛截面慣矩計算的情況下，截面上的最大應力已經(jīng)超過了鋼材的設計強度：f=205 N/mm2，可知在屋面坡度為的情況下，使用截面為冷彎斜卷邊Z 型鋼的檁條不能滿足強度要求；情況2：屋面坡度為時，即°，°。這時，= 0.081 kN/m，= 1.408 kN/m，對檁條跨中截面進行驗算：Mx=

39、1/8 Qy*L*L， MB= 1/8 Qx*L1*L1檁條跨中截面的內力：， My= MBI. 按照毛截面尺寸確定截面上的應力分布，按（公式4-26）計算得到截面上的應力分布如圖4-29所示：圖4-29 檁條有效面積分布示意圖（屋面坡度）II. 確定各個板件上受壓部分的有效寬度，l 按公式（4-4）考慮計算系數(shù)，計算得：腹板：=139 N/mm2 ，= 139 N/mm2 ，壓應力分布不均勻系數(shù)= 1.0<0，計算系數(shù)；l 按式（4-5）考慮受壓區(qū)寬度，腹板受壓區(qū)寬度= 80；l 按式（4-7）（4-14）考慮受壓板件穩(wěn)定系數(shù)，腹板屬于加勁板件，由式可得到腹板的穩(wěn)定系數(shù)。受壓上翼緣作為

40、腹板臨近板件，其單板穩(wěn)定系數(shù)kc；l 按式（4-15）（4-17）考慮板組約束的影響，腹板的臨近板件為受壓的上翼緣，計算得到腹板寬b=180mm，上翼緣寬c=70mm， ，k1 小于上限值；l 按式（4-6）考慮計算系數(shù)，。其中上翼緣最大壓應力取鋼材強度設計值f=205 N/mm2，腹板的根據(jù)公式（4-6）的第3條推算得到為140.5 N/mm2。l 按式（4-1）確定有效寬度：=32，即腹板上受壓部分的有效寬度為be=32×2.5=80mm；l 確定有效寬度的分布，如圖4-29所示。同樣可以計算得到上翼緣受壓部分的有效寬度為，下翼緣因為受拉，故全部有效。III. 確定有效面積的分布

41、并計算有效截面特性按圖4-29 所示的Z型截面的分布情況，按公式（4-24）計算有效的截面特性為：Ae= 727 mm2，Wex1=43962 mm3，Wey1=7979 mm3，Wex2=34541mm3，Wey2=7509 mm3得到有效截面的特性后，按公式（4-26）進行強度的驗算：=184.3+12.12=196.42 N/mm2<f=205 N/mm2 截面強度滿足要求。從上例中可以看出，在同樣的屋面均布荷載作用下，同樣的檁條截面尺寸，當荷載作用方向靠近Z型鋼的強主軸方向時，使用Z型鋼作為屋面檁條較為合理、經(jīng)濟。第六節(jié) 檁條設計計算實例一、基本情況屋面實腹式檁條，選用冷彎C型卷

42、邊型鋼160x60x20x2.5，跨度L=6m，檁距為1.5m，中間設一道拉條，檁條及拉條鋼材均為Q235。檁條截面如圖4-30所示：圖4-30 檁條截面示意圖二、荷載及其效應組合檁條上所承受的荷載：恒載0.3 kN/m，活載0.75 kN/m，風載-1.154 kN/m?？紤]檢修荷載1 kN。荷載效應組合：（1）1.2恒載+1.4活載；（2）1.2恒載+1.4檢修荷載。三、內力計算如圖4-31所示，由Y平面內荷載Qy引起的繞X軸的彎矩，按單跨簡支梁計算；由X平面內荷載Qx引起的彎矩，考慮拉條作為側向支撐點，按多跨連續(xù)梁計算。××0.75= 1.41kN/m，A=748mm

43、2，Ix=2881300，Iy=359600。 =0.14 kN/m =1.40 kN/m計算表明：第（1）種荷載效應組合引起的內力起控制作用，彎矩如圖4-31所示：圖4-31 檁條彎矩示意圖兩組起控制作用的內力為：（1）檁條跨中截面的內力：Mx= 6.30 kN.m My= MB=（2）彎矩M1所在截面的內力：Mx=3.84 kN.m My= M1 四、截面驗算這里，僅取第一組內力進行設計驗算。計算時考慮屋面能阻止檁條失穩(wěn)和扭轉，按照協(xié)會規(guī)程第6.3.9條款進行強度驗算。1、有效面積有效截面按照冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范GB500182002中第5.6節(jié)的規(guī)定確定。（1）計算截面應力分布按照毛截面尺寸確定截面上的應力分布，經(jīng)計算得到截面上的應力分布如圖4-32所示。 圖4-32 檁條有效面積分布示意圖（2）確定各個板件上受壓部分的有效寬度對于腹板，=183 N/mm2，=167 N