【鋼結(jié)構(gòu)·技術(shù)】鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中檁條這些參數(shù)怎么選？

鋼結(jié)構(gòu)中的屋面檁條和墻面墻梁作為屋面墻面系統(tǒng)中的受力和傳力構(gòu)件，一般不在整體模型中建立和分析（門式剛架三維中也是獨(dú)立分析和計(jì)算），而是采用工具箱進(jìn)行獨(dú)立分析和計(jì)算，在應(yīng)用工具箱進(jìn)行檁條和墻梁設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員常常會(huì)對(duì)一些工具箱中的參數(shù)究竟如何考慮以及影響不清楚，本文章將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行解析。

1 鋼結(jié)構(gòu)檁條、墻梁工具箱中“屋面板能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)”、“墻板能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)”的選項(xiàng)何時(shí)可以勾選？

圖1 參數(shù)

首先勾選了“屋面板能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)”、“墻板能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)”這個(gè)選項(xiàng)之后，程序不會(huì)進(jìn)行檁條、墻梁在上翼緣、外翼緣受壓時(shí)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002（以下簡(jiǎn)稱薄鋼規(guī)）中的要求：只有屋面板材與檁條有牢固的連接，即用自攻螺釘、螺栓、拉鉚釘和射釘?shù)扰c檁條牢固連接，且屋面板材有足夠的剛度（例如壓型鋼板），才可認(rèn)為能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，可不驗(yàn)算其穩(wěn)定性。此時(shí)可以勾選“屋面板能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)” “墻板能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)”選項(xiàng)，不驗(yàn)算該穩(wěn)定應(yīng)力。

對(duì)塑料瓦材料等剛度較弱的瓦材或屋面板材與模條未牢固連接的情況，例如卡固在檁條支架上的壓型鋼板（扣板），板材在使用狀態(tài)下可自由滑動(dòng)，即屋面板材與檁條未牢固連接，如下圖[2]所示的連接片連接時(shí)，連接片是可滑移的，扭轉(zhuǎn)剛度沒(méi)有保證，不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，應(yīng)按公式8.1.1-2驗(yàn)算檁條的穩(wěn)定性，此時(shí)不能勾選該選項(xiàng)。墻板能約束墻梁外翼緣與屋面板的要求類似。

2 鋼結(jié)構(gòu)檁條工具箱中的“構(gòu)造保證下翼緣風(fēng)吸力作用穩(wěn)定性”何時(shí)勾選？

檁條在風(fēng)吸力作用下處于下翼緣受壓的狀態(tài)，此時(shí)需要進(jìn)行風(fēng)吸力組合下的穩(wěn)定。

應(yīng)按照薄鋼規(guī)進(jìn)行驗(yàn)算，而在勾選了“構(gòu)造保證下翼緣風(fēng)吸力作用穩(wěn)定性”后，程序?qū)⒉辉衮?yàn)算風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定應(yīng)力。根據(jù)門式剛架規(guī)范中的9.1.5-3條 “當(dāng)受壓下翼緣有內(nèi)襯板約束且能防止檁條扭轉(zhuǎn)時(shí)，整體穩(wěn)定性可不計(jì)算”，也就是說(shuō)在檁條下翼緣位置布置有內(nèi)襯板，且內(nèi)襯板與檁條之間是可靠連接時(shí)，可以考慮此項(xiàng)。

同時(shí)有人提出當(dāng)設(shè)置下層拉條，且拉力位于距離下翼緣1/3腹板高度范圍內(nèi)時(shí)，也可以認(rèn)為構(gòu)造保證下翼緣穩(wěn)定，事實(shí)是不是這樣的呢？筆者認(rèn)為設(shè)置下層拉條后不能保證下翼緣的穩(wěn)定就不用計(jì)算了，此時(shí)下翼緣穩(wěn)定仍然需要進(jìn)行驗(yàn)算，門式剛架規(guī)范中對(duì)于內(nèi)襯板對(duì)于檁條下翼緣的約束已經(jīng)做出了解釋，在9.1.5條條文說(shuō)明中提到“當(dāng)有內(nèi)襯板固定在檁條下翼緣時(shí)，相當(dāng)于有密集的小拉條在側(cè)向約束下翼緣，故無(wú)需考慮整體穩(wěn)定性”?？紤]到拉條對(duì)于檁條的約束只是在拉條拉結(jié)位置的點(diǎn)約束，而拉條又不能布置很密集，一般的拉條間距大約為2m~3m，還遠(yuǎn)達(dá)不到密集的程度，因此下層拉條對(duì)下翼緣的約束還達(dá)不到不需要驗(yàn)算穩(wěn)定的條件。

3 拉條作用中的約束檁條上翼緣、約束檁條下翼緣、約束檁條上、下翼緣的參數(shù)應(yīng)該如何選擇？設(shè)置后會(huì)如何影響計(jì)算結(jié)果？

拉條作為檁條的側(cè)向支撐點(diǎn)，主要限制檁條的扭轉(zhuǎn)和側(cè)向變形，對(duì)于拉結(jié)在距離上翼緣1/3腹板高度范圍內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為其作為上翼緣扭轉(zhuǎn)變形的支撐點(diǎn)，此時(shí)拉條左右為約束檁條上翼緣，同理對(duì)于拉結(jié)在距離下翼緣1/3腹板高度范圍內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為其作為下翼緣扭轉(zhuǎn)變形的支撐點(diǎn)，此時(shí)拉條左右為約束檁條下翼緣，當(dāng)設(shè)置雙層拉條，其上下兩層各分布于距離上下翼緣各1/3腹板高度范圍內(nèi)時(shí)，拉條的作用為約束上下翼緣。

設(shè)置拉條作用后程序根據(jù)拉條設(shè)置的道數(shù)和檁條跨度確定出拉條間距，按照此間距確定拉條約束位置，即檁條上下翼緣穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)的檁條面外計(jì)算長(zhǎng)度，進(jìn)而影響對(duì)應(yīng)位置的檁條穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果。

4 如下圖：檁條設(shè)計(jì)工具箱提供了兩本規(guī)范選項(xiàng)“薄鋼規(guī)范GB50018”“門規(guī)GB51022-2015”，兩本規(guī)范有何差異？

圖3 工具箱中兩個(gè)規(guī)范的選擇

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB51022-2015（以下簡(jiǎn)稱門式剛架規(guī)范）修訂以來(lái)，新門式剛架規(guī)范對(duì)于檁條計(jì)算進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合薄鋼規(guī)對(duì)于采用冷彎薄壁截面的檁條，兩本規(guī)范的差異主要有以下四點(diǎn)：

1）門式剛架規(guī)范9.1.4對(duì)于實(shí)腹式卷邊檁條的寬厚比不大于13，卷邊寬度與翼緣寬度之比不宜小于0.25，不宜大于0.326進(jìn)行控制。這一條薄鋼規(guī)是沒(méi)有要求的。

2）門式剛架規(guī)范9.1.5-1條規(guī)定還要根據(jù)公式9.2.5-2驗(yàn)算薄壁截面的腹板剪應(yīng)力，而薄壁型鋼規(guī)范沒(méi)有相關(guān)要求。

3）門式剛架規(guī)范9.1.5-1條還規(guī)定在驗(yàn)算檁條強(qiáng)度時(shí)，采用平行軸有效截面模量進(jìn)行驗(yàn)算，而薄鋼規(guī)規(guī)范規(guī)定強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算始終采用主軸截面模量進(jìn)行驗(yàn)算。雖然主軸有效截面模量比平行軸有效截面模量要大，但是對(duì)于檁條強(qiáng)度等計(jì)算，門式剛架規(guī)范按照單向受彎構(gòu)件或單向壓彎、拉彎構(gòu)件計(jì)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定，薄鋼規(guī)則會(huì)按照雙向受彎、拉彎或壓彎驗(yàn)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定，所以在水平向存在彎矩的情況下，薄鋼規(guī)的計(jì)算結(jié)果很可能要比門剛規(guī)范的計(jì)算結(jié)果大。

4）門式剛架規(guī)范中對(duì)于壓型鋼板屋面的檁條撓度按照1/150控制，薄鋼規(guī)對(duì)于壓型鋼板屋面的檁條按照1/200控制。

5 鋼結(jié)構(gòu)墻面中的墻梁采用C型截面時(shí)，是口朝上有利還是口朝下有利？

首先我們要了解一下C型截面的特性，對(duì)于C型截面來(lái)說(shuō)，它是一種單軸對(duì)稱截面，其相對(duì)X軸是軸對(duì)稱的，相對(duì)于y軸是非對(duì)稱的，因此相對(duì)于Y軸其兩側(cè)的抵抗矩是不同的，如下圖，截面中位于Y軸左側(cè)部分對(duì)于Y軸的抵抗矩記為W1，位于Y軸右側(cè)部分對(duì)于Y軸的抵抗矩記為W2，W1>W2，且一般W1是W2的三倍左右。

圖4 C型截面

C型截面多用于簡(jiǎn)支墻梁，下面針對(duì)于簡(jiǎn)支墻梁從墻梁承受的荷載作用和檁條來(lái)去進(jìn)行分類討論：當(dāng)墻梁只承擔(dān)墻面?zhèn)鱽?lái)的墻面風(fēng)荷載墻板豎向荷載自承重時(shí)，口朝上與口朝下對(duì)風(fēng)荷載作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定沒(méi)有影響，豎向荷載只考慮墻梁本身自重，口朝上和口朝下計(jì)算結(jié)果也是基本一致的。

當(dāng)墻梁既承擔(dān)墻面?zhèn)鱽?lái)的墻面風(fēng)荷載，墻板非自承重，墻梁又要承載豎向荷載時(shí)，對(duì)于簡(jiǎn)支墻梁，其在豎向荷載作用下墻梁截面下部受拉，上部受壓。了解了C型截面的性質(zhì)，我們接著來(lái)分析一下具體截面的應(yīng)力情況，如果C型截面口朝上放置，其截面Y軸右側(cè)部分受壓，計(jì)算穩(wěn)定應(yīng)力時(shí)，W2參與計(jì)算，根據(jù)上面的截面性質(zhì)W1>W2，所以口朝上的穩(wěn)定應(yīng)力要大于口朝下時(shí)的穩(wěn)定應(yīng)力，因此對(duì)于這種情況下，當(dāng)截面是穩(wěn)定應(yīng)力控制時(shí)，其截面口朝下更能充分利用截面剛度和承載力。

6 鋼結(jié)構(gòu)檁條工具箱中的簡(jiǎn)支檁條計(jì)算結(jié)果輸出了“檁條能夠承受的最大軸力設(shè)計(jì)值為(KN)”，如何理解？

考慮到檁條有時(shí)候會(huì)兼做屋面的剛性系桿，程序在按照常規(guī)檁條的按照受彎構(gòu)件計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定的同時(shí)，如果按受彎構(gòu)件計(jì)算的強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力都滿足要求的情況下，程序就根據(jù)壓彎構(gòu)件的計(jì)算公式，反算出檁條還能夠承擔(dān)的最大軸力值，予以輸出。如果在參數(shù)中的“軸力設(shè)計(jì)值”輸入一定的數(shù)值，程序則直接按照壓彎或拉彎構(gòu)件進(jìn)行檁條驗(yàn)算。

7 連續(xù)檁條工具箱中“邊跨檁條間距減少一半”有何作用？對(duì)計(jì)算結(jié)果有何影響？

由于山墻榀剛架一般要設(shè)置抗風(fēng)柱、有的還要設(shè)置墻架柱，造成邊榀的豎向剛度較相鄰中間榀大很多，在豎向荷載作用下，山墻榀與相鄰中間榀之間的豎向變形差較大，可能會(huì)引起屋面板局部變形，甚至塌陷，引發(fā)漏水等情況，因此有部分鋼結(jié)構(gòu)廠家習(xí)慣在檁條邊跨時(shí)減小檁條間距，以此增強(qiáng)邊榀與中間榀的連接，減小豎向變形差異，同時(shí)一定程度的增大了屋面剛度。如圖：紅色箭頭所示位置會(huì)增加簡(jiǎn)支檁條。

圖5“邊跨檁條間距減少一半”的效果

增加簡(jiǎn)支檁條后，邊跨檁條的導(dǎo)荷面積將減少一半，進(jìn)而影響強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，如下圖所示。。