淺析輕鋼結(jié)構(gòu)實(shí)腹式檁條間拉條設(shè)計(jì)

夏一云

(1.四川宏基原創(chuàng)設(shè)計(jì)有限公司,四川德陽 618000;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川德陽 618000)

淺析輕鋼結(jié)構(gòu)實(shí)腹式檁條間拉條設(shè)計(jì)

夏一云

(1.四川宏基原創(chuàng)設(shè)計(jì)有限公司,四川德陽 618000;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川德陽 618000)

輕鋼結(jié)構(gòu)是今后大型廠房和公共建筑發(fā)展的主要方向。目前,通常情況下輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的柱距在6.0m到9.0m之間時,使用Z型檁條或C型檁條的形式,均能滿足建筑要求。但在經(jīng)濟(jì)成本更低的情況下,如何提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還是有很大的操作空間。筆者總結(jié)了在同等條件下,拉條的設(shè)置形式對結(jié)構(gòu)的受力和經(jīng)濟(jì)性的影響。

輕鋼結(jié)構(gòu) 檁條 拉條 撐桿

1 輕鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 自重輕

輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件多為薄壁型鋼，自重很輕，特別是圍護(hù)系統(tǒng)，壓型鋼板加保溫層等圍護(hù)系統(tǒng)重量僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的8%左右，結(jié)構(gòu)本身負(fù)荷少，地震作用小，可以減少地基和基礎(chǔ)費(fèi)用，特別適合舊房加層，幾乎不增加荷載。

1.2 力學(xué)性能好

強(qiáng)度高，力學(xué)性能好，特別適合大跨度結(jié)構(gòu)。從梁高跨比來看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般為1：12，鋼結(jié)構(gòu)為1：24，差一倍，對輕鋼結(jié)構(gòu)就來說差距就更明顯了，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要做到30米以上跨度就比較困難，也不經(jīng)濟(jì)，而采用輕鋼結(jié)構(gòu)就相對簡單的多。

1.3 制作和施工周期短,質(zhì)量易控制

輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件工廠加工制作，建筑材料是成品或半成品，現(xiàn)場組裝。工廠制作全天候作業(yè)，現(xiàn)場施工，施工機(jī)械簡單機(jī)械化程度高，不必支模拆模，構(gòu)件工廠批量生產(chǎn)，縮短了制作和施工周期。另外，工廠加工精度高，尺寸誤差小，現(xiàn)場多為螺栓連接，質(zhì)量容易控制。

1.4 造價低,綜合指標(biāo)好

輕鋼結(jié)構(gòu)能快速發(fā)展的一個重要原因就是用材省，成本低，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，工效提高1/4～1/3，加上后期圍護(hù)費(fèi)用，也比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

1.5 綠色環(huán)保

鋼材是綠色環(huán)保材料，施工中可避免混凝土濕作業(yè)造成的環(huán)境噪聲污染，有害氣體排放減少，而且可以拆卸回收再利用，符合節(jié)能環(huán)保的要求。

輕鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)系統(tǒng)的承重構(gòu)件一般由C型檁條、Z型檁條承擔(dān)，檁條設(shè)計(jì)的合理與否直接影響圍護(hù)系統(tǒng)的造價。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 屋面檁條設(shè)計(jì)

常用檁條型號：(1)C型檁條的特點(diǎn)及適用范圍：檁條的截面互換性大，應(yīng)用普遍，用鋼量省，制造和安裝方便。目前廣泛用于檁條跨度不大于6.0m，荷載較小的平坡屋面。(2)Z型檁條的特點(diǎn)及適用范圍：檁條的主平面對X軸的剛度大，用作檁條時撓度小，用鋼量省，制造和安裝方便，斜卷邊Z形鋼存放時還可又疊層堆放，占地少。當(dāng)屋面坡度較大時常采用這種檁條，價格和市場保有量不如C型檁條。

表1

表2

2.1.1 設(shè)計(jì)荷載及設(shè)計(jì)原則

(1)設(shè)計(jì)荷載。永久荷載：包括屋面圍護(hù)材料重量(包括防水層、保溫或隔熱層等)、支撐(當(dāng)支撐連于檁條上時)及檁條結(jié)構(gòu)自重。

可變荷載：包括屋面均布活荷載、雪荷載、積灰荷載及風(fēng)荷載等。

(2)設(shè)計(jì)原則。屋面檁條計(jì)算和拉條的設(shè)置有關(guān)，如果屋面板采用自攻螺釘與檁條固定，保證屋面板與檁條可靠連接，能阻止檁條上翼緣側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，此時只需計(jì)算檁條強(qiáng)度，但這種板型因溫度變形能力和防水能力較差，現(xiàn)在已經(jīng)較少采用。

目前采用較多的是暗扣式板型，這種連接方式在溫度變化較大時屋面板能產(chǎn)生滑動，不宜將它假定為能阻止檁條上翼緣側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，除了計(jì)算檁條強(qiáng)度，還需計(jì)算其穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)上要求，實(shí)腹式檁條跨度大于4m時，在受壓翼緣應(yīng)設(shè)置拉條或撐桿，拉條和撐桿的截面應(yīng)按計(jì)算確定。圓鋼拉條直徑不宜小于10mm，撐桿的長細(xì)比不得大于200；當(dāng)檁條上、下翼緣表面均設(shè)置壓型鋼板，并與檁條牢固連接時可不設(shè)拉條和撐桿。但拉條的設(shè)置對于檁條的受力很重要，拉條可以減少M(fèi)y，提高檁條的整體穩(wěn)定性。

因此，在恒載、活載及風(fēng)壓力作用下，檁條上翼緣受壓，拉條應(yīng)設(shè)置在檁條上翼緣1/3處(目前止種做法應(yīng)用最為普遍)。在風(fēng)吸力作用下使檁條下翼緣受壓，拉條不能保證檁條下翼緣的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，如果計(jì)算時要考慮拉條能約束檁條下翼緣，此時應(yīng)在檁條下翼緣1/3處同樣設(shè)置拉條。

2.1.2 設(shè)計(jì)方法

檁條計(jì)算時應(yīng)和工程實(shí)際情況相對應(yīng)，采用哪種公式要根據(jù)屋面板板型和拉條的設(shè)置情況來確定，特別是現(xiàn)在普遍采用計(jì)算機(jī)軟件來設(shè)計(jì)，一個選項(xiàng)或參數(shù)設(shè)錯，就直接影響計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)屋面板能阻止檁條側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)時，可不做檁條穩(wěn)定性驗(yàn)算，采用CECS102-2002中6.3.7-1計(jì)算；當(dāng)屋面板不能阻止檁條側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)時，按CECS102-2002中6.3.7-2計(jì)算。對于屋面采用單層彩鋼板的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造不能保證檁條下翼緣的穩(wěn)定性，且按習(xí)慣做法拉條設(shè)置在檁條上翼緣，此時下翼緣在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定計(jì)算考慮兩種情況：(1)僅在上翼緣設(shè)拉條，(2)設(shè)雙層拉條。

通過具體實(shí)例進(jìn)行對比拉條的設(shè)置情況對檁條計(jì)算的影響：

某輕鋼廠房柱距6m，邊緣帶檁距1.5m，鋼材Q235，基本風(fēng)壓0.55KN/m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.14，屋面坡度1/20，恒載0.2KN/m2設(shè)兩道拉條，經(jīng)計(jì)算，截面由風(fēng)吸力控制，檁條下翼緣計(jì)算結(jié)果表1所示：(采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM STS 2008版計(jì)算)

由此可見：當(dāng)風(fēng)吸力起主要控制作用時，設(shè)置雙層拉條比增大檁條截面更經(jīng)濟(jì)。

需要指出的是，此處如果屋面板能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)，可僅在檁條下翼緣設(shè)置拉條，計(jì)算結(jié)果與設(shè)雙層拉條是一樣的。

當(dāng)然，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)。

在檁條下翼緣附近有無拉條對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。因此筆者建議，當(dāng)僅設(shè)置一道拉條時，可以采用在檁條下翼緣與相鄰檁條上翼緣斜向設(shè)拉條的方式。

2.2 墻梁設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

墻梁設(shè)計(jì)與屋面檁條設(shè)計(jì)類似，同樣要考慮墻板、拉條的約束作用。不同的是墻板有自承重和非自承重兩種，要根據(jù)具體情況具體分析。另外，墻梁設(shè)計(jì)時根據(jù)構(gòu)造條件的不同要考慮雙彎矩的影響。

2.2.2 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》8.3.1條及其條文說明，兩側(cè)掛墻板的墻梁和一側(cè)掛墻板、另一側(cè)設(shè)有可阻止其扭轉(zhuǎn)變形的拉桿的墻梁，可不計(jì)彎扭雙力矩的影響(即可取B=0)，此時可僅進(jìn)行墻梁的強(qiáng)度計(jì)算。因此對于非自承重的墻板，應(yīng)在檁條內(nèi)外設(shè)置雙側(cè)拉條，對于自承重墻板，可僅在內(nèi)側(cè)設(shè)置拉條。

對于風(fēng)吸力作用下內(nèi)翼緣的穩(wěn)定性計(jì)算，與屋面檁條類似，墻板一般采用自攻螺釘與檁條固定，可認(rèn)為墻板能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)。

同樣舉例，某輕鋼廠房柱距6m，邊緣帶檁距1.5m，鋼材Q235，基本風(fēng)壓0.55KN/m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.14，設(shè)兩道拉條，經(jīng)計(jì)算，截面由風(fēng)吸力控制，檁條下翼緣計(jì)算結(jié)果表2所示：(采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM STS 2008版計(jì)算)

由此可見：拉條設(shè)置在墻梁內(nèi)側(cè)比增大檁條截面更經(jīng)濟(jì)。

而對于非自承重墻板，宜在墻梁內(nèi)外設(shè)雙側(cè)拉條，外側(cè)拉條可以作為墻板在自重作用下墻梁的豎向支點(diǎn)。在墻板頂部和窗戶下的墻梁處應(yīng)同時設(shè)置斜拉條和直撐桿，將拉力傳至剛架柱或墻架柱，底部墻梁一般固定在墻垛或矮墻上，整體穩(wěn)定有保證，故底部墻梁處可不設(shè)斜拉條和直撐桿。

3 結(jié)語

(1)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，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。當(dāng)房屋坡度方向較大時應(yīng)間隔一定數(shù)量的拉條設(shè)置一對斜拉條，以分段傳遞內(nèi)力。因拉條只能受拉，但拉條作為檀條的側(cè)向支撐點(diǎn)時同時受拉和受壓，因此在檐口和屋脊應(yīng)布置斜拉條和撐桿，以形成幾何不變體系。撐桿按壓桿設(shè)計(jì)，不宜用圓鋼，一般用角鋼或鋼管內(nèi)設(shè)拉條的做法，設(shè)置撐桿的同時應(yīng)設(shè)斜拉條。

(2)輕鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，要重視構(gòu)造措施對提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，應(yīng)根據(jù)彩鋼板板型及連接方式選擇合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)措施；構(gòu)件計(jì)算時若是穩(wěn)定起控制作用，應(yīng)首先通過構(gòu)造手段解決構(gòu)件穩(wěn)定性，而不是盲目加大構(gòu)件截面或提高鋼材等級等手段，從而降低造價以求得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn).門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS:102:2002北京:中國計(jì)劃出版社,2003.

[2]國家標(biāo)準(zhǔn).冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB:50018-2002.北京:中國計(jì)劃出版社,2002.

[3]汪一駿等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(第三版)北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.