轻钢结构中的檩条设计.doc

轻钢结构中的檩条设计工程设计ARCH/TECTURALDEslGNMANAGEMENT轻钢结构中的檩条设计王永亮(秦皇岛市建筑设计院,河北秦皇岛066001)【摘要】近年来随着钢结构特别是门式刚架轻型房屋钢结构的广泛应用,轻钢结构的设计越来越普及,本文将针对轻钢结构中檩条的设计从计算,连接及实际设计中的做法提出自己的观点和建议.【关键词】檩条;拉条;隅撑【中图分类号】TU209【文献标识码】C【文章编号】16731093(2005)010050031引言檩条是有檩体系和墙架中的主要构件,由于使用的覆盖面大,用钢量相当可观,故在檩条设计中如能合理选型及布置,将取得很高的经济效益.实腹式檩条的常用形式有冷弯薄壁C型钢,Z型钢,热轧槽钢,高频焊接H型钢,焊接H型钢,蜂窝梁等多种形式.其中Z型钢最适用于屋面及墙面,特别是屋面檩条的最合理形式,但由于材料供应等条件的影响,应用受到一定的限制.后四种檩条形式主要用于大跨度及重型屋面,而冷弯薄壁C型钢檩条在轻钢结构檩条设计中应用最为广泛.一般人认为檩条设计很简单,其实笔者感到轻钢结构中的檩条设计是很复杂的.首先,在钢结构设计规范GB500172003(以下简称钢规)及门式刚架轻型房屋钢结构设计规程CECS102:2002(以下简称门规)都没有明确实用的计算公式用于理论计算;其次,檩条受力复杂,要想精确计算檩条受力性能非常困难,因为檩条首先承担屋面荷载,负责传递给刚架梁,大多数情况下檩条还兼作屋面水平支撑的压杆,同时还会受到屋面的蒙皮效应的影响及隅撑的作用,而且在计算中还必须考虑檩条屈曲后的有效截面问题.这些都使得檩条的计算很复杂.以下笔者主要从檩条的计算,连接等方面谈谈自己的看法.2檩条的设计计算在实际设计中为简化计算通常把檩条设计成以下两种:2.1简支檩条按简支单跨等截面双向弯曲梁计算.由于施工及制作安装较为方便,目前在实际工程中应用较多.特点是计算简单,用钢量大.50.20115rl!t3t2.1.1强度计算:将屋面或墙面的荷载折算成沿檩条长度分布的均布线荷载并按檩条形心主轴分解得到沿两个主轴作用的线荷载分量:qyqcosot檩条在刚度最大主平面(对X轴)由gy引起的弯距:Mx=qyL/8.L为檩条的跨度檩条在刚度最小主平面(对Y轴)由引起的弯距:(设有拉条时视拉条为檩条的侧向支撑点)檩间无拉条时:跨中弯距为My=qxL2/8一根拉条位于L/2时:跨中负弯距为My=一qxL2/32两根拉条位于L/3时:1/3处的弯距为My:L/90跨中正弯距为My=qxL/360当屋面能阻止檩条侧向失稳时可不计算檩条的整体稳定,仅按下式计算其强度:Mx/ixWrtx+My/ryWnyf式中,r)-为截面;塑性发展系数,对冷弯薄壁C型钢=ry=1.0if为钢材的强度设计值.为精确计算还应进行截面的有效换算,得到有效净截面模量与毛截面模量的关系大约为:Wenx=0.89Wnx,Weny=0.93Wny,可近似取为0.9.2.1.2稳定计算:檩条的稳定计算是由受压翼缘的弯扭引起的.由于屋面板固定在檩条的上翼缘,对檩条有侧向支撑作用,此时不考虑弯扭失稳问题.当屋面能阻止檩条侧向失稳时可不计算檩条的整体稳定当屋面不能阻止檩条侧向失稳时应计算檩ARCHITECTURALDES|GNMANAGEMENT工程设计条的整体稳定,可按下式计算其稳定应力:Mx/rbxWex)+My/Wey<fWexwey对主轴XY的有效截面模量;MxMy当所验算点为压应力时取负号,为拉应力时取正号+bx受弯构件绕强轴的整体稳定系数,按下式计算:bx=4320Ah1l【(112+垂)+q1235/(Iy2wxfy)r/:22ea/h=41w/(h.1y)+(Lo/0.1561t/ly入v檩条在弯距作用平面外的长细比A毛截面面积h截面高度檩条的侧向长度计算系数,Lo:bL,IXb按钢结构设计手册>(上册)(中国建筑工业出版社)114页表71采用.L为檩条的跨度毫1毫2:系数,见上表ea横向荷载作用点到截面弯心的距离,对于偏心压杆或当横向荷载作用在截面弯心时为0,当荷载不作用在截面弯心且荷载方向指向截面弯心时ea为负,而离开弯心时ea为正.Wx对主轴X的受压边缘毛截面模量1w毛截面扇性惯性距Iv对Y轴的毛截面惯性距It扭转惯性距按上式计算的4,bx植大于0.7时,则应以bx代替66=1.0910.274/4,b当檩条在永久荷载和风吸力作用下下翼缘受压时,因为按照门规附录E计算檩条下翼缘在风吸力作用下的稳定计算公式中没有考虑拉条的侧向支撑作用,受拉翼缘的约束作用没能反映出来.实际上拉条不仅使侧向水平分量产生的侧向弯距降低,而且拉条与屋面板共同组成对檩条下翼缘的弯距约束可显着提高檩条下翼缘受压的稳定承载力.因此按照钢结构设计规范GB500172003或冷弯薄壁型钢结构技术规范GB500182002附录进行檩条下翼缘受压的计算是较为成熟和妥当的.2.1.3挠度计算简支檩条的挠度v:5qLcoso/(384EIx)v】其中q取为荷载标准值.Ix为主轴X的毛截面惯性距根据门规规定:仅支撑压型钢板屋面(承受恒载或活载)的挠度限值v】为L/150;上有吊顶时L/240;有吊顶且抹灰时L/360.(L为檩条的跨度)2.2连续檩条由于z型连续檩条内力分布均匀,刚度大,能节约大量钢材,具有很好经济的效益,目前在实际工程中愈来受到人们的重视和应用.但是由于我国规范对连续檩条的计算尚未形成一套简单而又妥当完善的计算方法,而且荷载的分布对连续檩条的内力分析影响很大,特别是活荷载的分布.根据浙江大学杭萧钢结构研究中心的冷弯斜卷边z型连续檩条的抗弯性能实验及设计方法研究>的报告:由于支座处存在着裂缝及连接孔,故在支座搭接区有一定程度的松动,导致部分弯矩释放,这样支座处的弯矩小于等截面连续梁的弯矩而跨中弯矩则大于等截面连续梁跨中的弯矩,而且檩条的实际挠度大于等截面连续梁的实际挠度值.故在实际工程中z型连续檩条的通常算法是:做成上下翼缘不等宽,以便于施工安装的嵌套连接,檩条的搭接长度一般取跨度的1/10可满足构成连续檩条的基本条件;内力计算时按等截面连续梁计算,先按50%活载均匀满布得到一个效应值Sl,再用50%活载按最不利隔跨布置得到第二个效应值S2,两者相加即为最不利活载所产生的荷载效应值S.再考虑支座处的弯矩释放10%,檩条的极限承载力由支座处的最大弯矩值控制.目前大多数设计人员不考虑支座处的双檩条强度,这样计算结果很不经济.笔者认为既能做到节省钢材同时又安全合理的做法应是:支座处搭接区的刚度和抗弯模量按双檩条的代数和考虑,第一跨檩条的厚度大于其余各跨厚度,且同时考虑支座搭接区由于松动造成的弯矩释放10%.这样既经济又安全,不失为一个很好的设计方法.3檩条的连接3.1拉条的设置根据Iq规,当檩条跨度大于4m时,宜在檩条间跨中设置拉条;跨度大于6m时宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条,在屋脊处还应设置斜拉条及撑杆.拉条虽/J,作用不/J,.实际上有檩体系的压型钢板轻型屋面,拉条起着承受檩条侧向力,减/J,檩条的侧向变形和扭转,减/J,檩条的计算长度,保证檩条的侧向稳定的作用.拉条一般通过螺栓与檩条连接,拉条与屋面板的共同作用能有效地提高檩条的整体抗扭刚度和减少外部荷载引起的扭转效应.虽然在檩条下翼缘附近有无拉条对2005fl:5a,-1删.51?工程设计ARcH|TEcTURALDEslGNMANAGEMENT檩条的抗弯承载力有很大影响,但当拉条强度满足后,拉条的刚度对抗弯和压弯承载力的影响可忽略.所以门规推荐拉条的最小直径取为10mm,去除车丝对截面的削弱及锈蚀等因素外是可行的,但应注意:每一个坡面上的檩条是一个大的串联系统,因此檩条的受力是不均匀的,恒活荷载作用下离屋脊处越近的拉条内力越大,而在风吸力作用下正好相反.所以笔者建议:在檩条的设计中应考虑多根檩条由拉条串联后的内力叠加.斜内受为向压型钢板与檩条应可靠连接以保证屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转.这对无须验算整体稳定的实腹式檩条由为重要.檩条与屋面板的连接一般用带橡胶垫圈的自攻螺丝连接,间距300mm400mm.3.4檩条与隅撑的连接檩条设计必然会涉及隅撑.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程规定:当实腹式刚架斜梁下翼缘或刚架柱内翼缘受压时,必须在受压翼缘两侧拉条.拉条与檩条的连接节点在门规中已有说明,一般做法为将拉条连在檩条上部1/3高度处.这样在外荷作用下,拉条可提供较大的抗扭约束.当然还有其他的连接方法,具体情况应根据具体的工程区别对待.3.2檩条与屋面梁的连接目前檩条与屋面刚架梁的连接主要有两种方法:第一种在檩条下翼缘上开孔,用普通螺栓直接连接于梁上.这种情况下翼缘直接承受支座反力,很有可能引起腹板的压屈,当腹板的高厚比较大(大于200mm)时,此种连接不可取.第二种作法是:在屋面梁上焊檩托(用角钢或钢板制作)在檩托上开孔,用普通螺栓与檩条相连,檩条每端螺栓数应为两个,对于腹板高厚较大的檩条还应在连接孔上加设厚垫片来提高螺栓孔处局部的抗屈曲能力.3.3檩条与屋面板的连接.52.2005rl!Ut利.因此门规规定:当计算檩条时,不应考虑隅撑的影响.4结论本文主要针对实腹式C型檩条的设计计算和连接构造进行了分析讨论,并提出