浅谈轻钢结构中Z 型连续檩条设计-建筑设计论文发表

浅谈轻钢结构中Z 型连续檩条设计
王旭亮夏伟国栾晞翎
1、前言
在应用广泛的门式刚架轻型房屋钢结构设计中,最为困难的是对檩条的设计计算。困难来自于两方面:首先,在设计规范或规程中无简单实用的计算公式供设计人员采用;其次,为节省钢材,轻钢结构中的檩条除用于承担梁的功能外往往兼作支撑体系中的压杆,同时还通过隅撑对门式刚架的梁和柱提供侧向支承。如果考虑门式刚架轻钢房屋中的蒙皮效应,则檩条的构造和受力计算更为复杂。檩条通常由薄钢板冷弯成型,计算中还需考虑屈曲后的有效截面等问题,因此,精确计算檩条的承载能力非常困难。关于檩条在风吸力作用下的稳定承载力试验和理论计算方面的研究,仅针对简支檩条。实际工程中大量采用Z 型连续檩条,显然这种搭接而成的连续檩条内力分布较均匀,刚度大,能节省用钢量,同时在制作、运输、安装诸方面都很便利,故工程师们乐于采用,但连续檩条的计算比简支檩条更复杂,国内的钢结构设计规范及规程尚无对连续檩条的计算公式。国外钢结构公司主要选用的就是这种Z 型搭接而成的连续檩条,如美国Varco2Pruden 公司、巴特勒公司等开发有自己的门式刚架设计软件,可对连续檩条进行设计计算,但其计算均采用了简化的模式,巴特勒公司、美联公司按等截面连续梁模式计算,Varco2Pruden公司和澳大利亚BHP 公司考虑支座搭接处为双檩条刚度,按变刚度连续梁模式计算。BHP 公司编有连续檩条的允许荷载表供设计人员直接选用。在檩条的设计计算中,这些公司都考虑搭接长度的影响。在计算中能直接应用屋面板蒙皮效应的只有Varco2Pruden 公司。综上所述,开展Z 型搭接连续檩条的性能研究是国内工程界的一项重要课题。
2、Z 型连续搭接檩条的内力计算和挠度
在连续檩条内力计算中,荷载分布情况对内力计算值影响很大。自重(恒载) 总是均匀满布的,雪载与风荷载也应近似为均匀满布。对于活荷载,其最不利分布为任意隔跨加载,与均匀满布所产生的内力差别很大,前者大于后者。按无限跨考察一下活荷载在最不利任意隔跨分布和均匀满布两种情况: 在跨中处,前者比后者弯矩大98 % ,在支座处大37 %。可见活荷载的分布规定对连续檩条的计算影响很大。美国MBMA86 规程、中国规范等都有条文规定活荷载按其最不利分布考虑,加拿大钢结构设计手册在规定檩条计算时,活载的一半按最不利隔跨分布,另一半按均匀满布,如此一来,减小了最不利分布作用的计算值,上述的活荷载作用下跨中弯矩偏差由98 %减至49 % ,支座处弯矩偏差由37 %减至1815 %。在美国MBMA和AISI 的计算例题中,在计算檩条内力时,活载仍按满布计算。看来加拿大钢结构设计手册的规定较为合理。Z 型连续檩条通常做成上下翼缘不等宽,便于施工安装时嵌套连接,一般国内企业设计檩条的搭接长度通常统一取为跨度的10 %。这个搭接长度可满足构成连续檩条的基本条件,在进行计算内力时,通常按多跨等截面连续梁计算,极限承载力由支座处的最大弯矩控制。根据杭萧钢构股份有限公司委托浙江大学所作的研究报告:由于嵌套区存在一定程度的缝隙以及檩条之间的连接孔打的是椭圆孔,在支座搭接区有一定程度的搭接嵌套松动导致弯矩释放,因此,Z型连续嵌套搭接檩条达不到等截面连续梁的效果。这样支座处的弯矩小于等截面连续梁的弯矩值,而跨中弯矩则大于等截面连续梁的弯矩值。同样,檩条的实际挠度也大于等截面连续梁的理论计算挠度,根据试验情况,综合考虑实际工程中的蒙皮构造,支座处的弯矩释放以10 %为宜。根据美国冷弯薄壁型钢设计手册AISI ,在计算
Z 型搭接连续檩条时,支座处的搭接区按双檩条刚度考虑,因此在支座处的弯矩值稍大于等截面连续梁的弯矩,在跨中弯矩稍小于等截面连续梁的弯矩,AISI没有考虑檩条嵌套搭接的松动情况,看来与实际工程有偏差,对于跨中弯矩控制设计的情况将偏于不安全,同时,对于挠度的计算值也将比实际情况要小。
综上所述，对于Z 型连续檩条的内力计算，可按如下一种简单通用的模式考虑：按等截面连续梁计算模式,考虑活荷载按不利分布作用,具体计算时,可以按50 %活载均匀满布得到一个效应值S1 ,再用50 %活荷载按最不利隔跨分布得到一个效应S2 ,两者相加即为最不利活荷载所产生的效应S 。另外再考虑在支座处因搭接嵌套松动所产生的弯矩释放10 %。
3、关于檩条的稳定计算问题
檩条的稳定问题是由受压翼缘的弯扭引起的。当仅是檩条上翼缘受压时,由于屋面板固定在檩条上,形成对檩条的侧向支承作用,此时檩条不用考虑其弯扭失稳问题,当檩条下翼缘受压,无面板作侧向支撑时,需要计算檩条的稳定,其计算模式是否合理,关键在于如何模拟屋面蒙皮作用和拉条的侧向支承作用。国内现行冷弯薄壁型钢结构技术规范考虑了拉条侧向支承作用,但不考虑屋面蒙皮作用。门式刚架轻型房屋钢结构技术规程在计算风吸力作用下檩条稳定时引用欧洲规范,着重考虑屋面蒙皮对檩条的侧向弯扭约束刚度,但稳定计算公式中不考虑拉条侧向支承作用(仅计算檩条侧向弯矩时,考虑拉条作为支承点,计算稳定系数时,与拉条无关) ,美国和澳大利亚规范既考虑蒙皮作用,又考虑拉条侧向支承作用。实际上拉条的作用很大,拉条不单使侧向水平分量所产生的侧向弯矩降低,更重要的是与屋面板一道形成对下翼缘的弯扭约束,从而大大提高了下翼缘受压时的稳定承载力,文对此有专门的论述。现行国内钢结构规范中对梁的稳定计算只是针对简支梁的情况,没有提供连续梁的稳定计算公式。给出了风吸力作用下梁(含连续梁) 的稳定计算公式,计算非常烦琐,其中屋面板对檩条的扭转约束刚度需满足的应用条件是面板净肋距≤120mm ,基板的厚度≥0166mm ,这在实际工程中不很容易满足。因此,在无试验资料的情况下,只能采用所给的假定参数来计算,计算出的结果偏差究竟有多大,无法估计。
综上所述,目前国内规范关于檩条稳定计算,特别是风吸力作用下的稳定计算,远不能满足工程的需要。此外,对于连续檩条无相应的计算公式,美国和澳大利亚设计规范给出的计算公式比较简单实用。美国AISI的计算规定是:支座处到搭接端部为上、下翼缘均有约束,不必考虑稳定问题,搭接端部到反弯点为悬臂梁计算模式,如无侧向拉条,在风吸力作用下则跨中反弯点之间距离作为下翼缘自由长度参与计算。檩条稳定总是与拉条系统及屋面蒙皮的作用密切相关,而屋面蒙皮作用及拉条作用又总是与具体材料、板型构造、连接构造有关,随便套用计算公式是不妥的。
4、结语
(1) 采用Z 型搭接连续檩条比简支檩条内力分布均匀,刚度大,可节省用钢量。
(2) 搭接连续檩条在支座处搭接区存在嵌套松弛现象,其刚度小于等截面连续单檩的刚度,因此在支座处有一定弯矩释放,在跨中弯矩有一定的增大。
(3) 连续檩条整体稳定计算目前尚不完善,其整体稳定可利用屋面蒙皮作用和拉条支撑系统解决。
(4) 连续檩条支座处的弯矩大于跨中弯矩,搭接区承载能力按两檩条的抗弯模量之和考虑是合理的,可以大大节省用钢量。
(5) 连续檩条的搭接长度不宜小于跨长的10 % ,搭接长度按端跨和中间跨的弯矩分布情况分别考虑,以搭接端弯矩不大于跨中弯矩为条件来确定搭接长度可使设计更为经济合理。
(6) 用檩条兼作屋面纵向压杆,当单檩不能满足承载力要求,可用双檩条,此方法节省用钢量。
(7) 连续檩条与屋面梁的连接应采用加檩托板螺栓连接方式以防檩条局部腹板压屈和整体倾覆。当檩条腹板高厚比较大时尚应加设厚垫片以改进其支座处的承载力。
(8) 一般情况下,设计带隅撑的檩条时,隅撑对檩条的有利作用与不利影响可考虑相互抵消,忽略不计,以简化设计。
参考文献：
[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102-2002
[2] 钢结构设计规范 GB50017-2003
[3] 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB 50018-2002