屋面檁條對(duì)鋼梁平面外穩(wěn)定的可靠性分析

肖湘

摘要：輕鋼結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成一套自己的體系。檁條對(duì)鋼梁平面外穩(wěn)定的可靠性分析是現(xiàn)代各種工程中經(jīng)常遇到的問題。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)門式輕鋼結(jié)構(gòu)屋蓋C、Z檁條和檁條支撐冷彎薄壁檁條體系的抗扭剛度以及屋面檁條對(duì)鋼梁平面外穩(wěn)定的可靠性的研究還不夠深入。有必要對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究。

關(guān)鍵詞：屋面檁條;鋼梁平面外穩(wěn)定;可靠性

Z和C截面的冷彎型鋼構(gòu)件用作檁條或墻支撐，用作主框架與型鋼屋頂或鋼墻之間的構(gòu)件[1]。幾十年的經(jīng)驗(yàn)表明，在輕鋼結(jié)構(gòu)屋面中，檁條的用鋼量約占整個(gè)屋面系統(tǒng)的55%左右[2]，所以要降低屋面系統(tǒng)的用鋼量，首先要從檁條入手，明確屋面檁條對(duì)鋼梁平面外穩(wěn)定的可靠性，同時(shí)這也是確保工程安全與效益的關(guān)鍵所在。

一、冷彎薄壁檁條對(duì)鋼梁平面外穩(wěn)定的可靠性研究

在許多工業(yè)和民用建筑中，冷彎薄壁鋼用于各種次要構(gòu)件，甚至一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其優(yōu)點(diǎn)是重量輕，切割性能好，制造安裝非常方便。所用的冷彎薄壁鋼通常為開口截面形狀，開口截面的抗扭剛度與厚度t3成正比，其自由抗扭剛度GI較小，橫向和抗扭能力強(qiáng)變形小，外力淺一般不通過其截面的彎曲中心，造成嚴(yán)重的復(fù)合彎曲和扭轉(zhuǎn)變形[3]。與普通鋼梁相比，薄壁鋼檁條由于較薄的腹板和翼緣壁厚以及較大的寬厚比，往往會(huì)導(dǎo)致桿件局部和橫向彎曲。這就是為什么薄壁檁條的穩(wěn)定性指標(biāo)在輕鋼結(jié)構(gòu)施工中的作用比強(qiáng)度指標(biāo)更重要的原因。計(jì)算必須考慮扭轉(zhuǎn)變形和由不通過橫向力中心的載荷產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)引起的受約束的扭曲應(yīng)力。

（一）冷彎薄壁檁條的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

薄壁檁條更容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，因?yàn)镃型或Z型冷彎薄壁構(gòu)件具有高強(qiáng)度、薄壁、大截面開口等截面特性，使得薄壁檁條部件受力時(shí)容易扭曲 不穩(wěn)定現(xiàn)象，抗扭強(qiáng)度差。由于載荷點(diǎn)的偏心和部件的剪切中心，部件通過扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生額外的應(yīng)力，甚至通過過度的扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生傾斜。如果彎曲桿沒有合適的支撐系統(tǒng)來防止橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)，它通常會(huì)在達(dá)到其強(qiáng)度極限之前失去整體穩(wěn)定性，即H。它通過彎曲和扭轉(zhuǎn)屈曲的承載能力。梁的臨界彎矩隨橫向彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和載荷作用模式等因素而變化。調(diào)查表明，許多重大鋼結(jié)構(gòu)事故都是由二級(jí)結(jié)構(gòu)整體或局部失穩(wěn)引起的[4]。關(guān)于薄壁檁條的整體穩(wěn)定性，各個(gè)國(guó)家對(duì)薄壁構(gòu)件的規(guī)定都沒有具體規(guī)定。目前的門戶框架規(guī)定，檁條的穩(wěn)定性必須按照法規(guī)附錄E的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。法規(guī)附錄E（檁條在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定性計(jì)算）是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)ECS-ENV-1996制定的。由于設(shè)計(jì)者不知道引用的國(guó)外規(guī)范條款，而且計(jì)算比較復(fù)雜，也不是硬性規(guī)定，因此在具體項(xiàng)目中一般不采用該條款，即不考慮屋面的蒙皮作用。

（二）檁條的受力特點(diǎn)

通常使用的檁條型材不是雙軸對(duì)稱截面，C形截面是單軸對(duì)稱截面，Z形截面是點(diǎn)對(duì)稱截面。 Z形截面的重心軸不是傳統(tǒng)的地軸和垂直的地軸; H。 圖1中的 y1-y1 軸和 x1-x1 軸，但 yy 和 xx 與上述軸的夾角為 θ，作用在檁條平面內(nèi)或外。屋頂俯仰角α。 拆卸過程在相關(guān)說明中有說明，此處不再贅述。 需要注意的是，C型檁條的豎向力分解方法與Z型檁條完全不同，不要混淆設(shè)計(jì)。

檁條一般是雙向彎曲鋼筋，強(qiáng)度比較容易計(jì)算：可以通過平面內(nèi)外的彎矩和相應(yīng)的截面參數(shù)計(jì)算應(yīng)力，然后疊加。需要注意的是，強(qiáng)度計(jì)算中使用的橫截面參數(shù)是有效橫截面參數(shù)，即冷彎薄壁構(gòu)件的板材在不同的載荷和支撐條件下存在無(wú)效部分，從全量中扣除。橫截面。剩余的橫截面可用作計(jì)算的橫截面。有效截面的選擇并不困難，詳細(xì)的計(jì)算方法包含在規(guī)范中。確定有效截面后，需要重新計(jì)算重心軸有效截面的截面特性[5]。對(duì)于C型和Z型檁條，計(jì)算到重心的有效橫截面，軸的橫截面特性很成問題。因此，在工程設(shè)計(jì)中，在確定檁條截面規(guī)格和間距時(shí)，往往需要避免無(wú)效截面的出現(xiàn)，保證整個(gè)檁條截面有效，以簡(jiǎn)化計(jì)算，節(jié)省材料。

（三）檁條的整體穩(wěn)定

穩(wěn)定性問題是鋼結(jié)構(gòu)建筑中的一個(gè)突出問題。鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是決定其承載能力的一個(gè)特別重要的因素。在鋼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，近幾十年來，國(guó)內(nèi)外在穩(wěn)定電力利用潛力的研究和穩(wěn)定計(jì)算理論的完善方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如，完善鋼結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定性理論，研究具有幾何誤差和殘余應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能和承載能力，并利用數(shù)值方法解決此類問題，已經(jīng)產(chǎn)生了大量研究。在進(jìn)行理論分析的同時(shí)，對(duì)穩(wěn)定性行為進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，將理論研究結(jié)果圖形化或轉(zhuǎn)化為實(shí)用計(jì)算公式，使彈塑性穩(wěn)定性理論用于解決鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題，取得了豐碩的成果。 .在荷載作用下，最不利型材的彎矩或彎矩與其他內(nèi)力的組合仍小于型材的承載能力，但鋼筋會(huì)突然偏離原彎曲變形平面，造成橫向偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)。 ，稱為彎曲的總不穩(wěn)定性。受彎構(gòu)件整體失穩(wěn)后，通常不再能夠承受更高載荷的作用，而且不僅不能限制構(gòu)件平面外的彎曲和扭轉(zhuǎn)（即彎曲和扭轉(zhuǎn)變形）的發(fā)展，組件的靜態(tài)平衡不能維持和破壞。整體不穩(wěn)定性是撓性元件的主要失效模式之一。如果檁條板的寬厚比過大，在一定的載荷條件下會(huì)出現(xiàn)波浪形的壓筋變形，稱為局部失穩(wěn)。

與整體失穩(wěn)相反，即使部件只有部分不穩(wěn)定，其軸變形也可以視為發(fā)生在彎曲平面中。板件在局部失穩(wěn)后通常可以繼續(xù)承受載荷，與失穩(wěn)相比，承載能力可以得到提高，由于構(gòu)件不會(huì)立即達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)而損壞，因此不一定用作對(duì)組件指南的總損壞的判斷。然而，局部不穩(wěn)定性使構(gòu)件的吸力性能變差，不能充分利用構(gòu)件的承載能力。檁條的強(qiáng)度在施工和計(jì)算時(shí)往往容易保證，但由于腹板和翼緣壁較薄，高度較大，機(jī)械工程中的主要問題是橫向穩(wěn)定性。

當(dāng)作用在檁條上的荷載達(dá)到一定值時(shí)，上翼緣的中壓應(yīng)力接近臨界值，上翼緣將屈曲自身的弱軸。由于腹板和下翼緣的存在，上翼緣不能簡(jiǎn)單地自身變形，形成自身強(qiáng)軸Y軸地屈曲，但會(huì)被腹板和下翼緣拉動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從而使整個(gè)檁條產(chǎn)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致強(qiáng)度失效前失去穩(wěn)定性。

二、檁間支撐的設(shè)置及計(jì)算

（一）檁間支撐的設(shè)置

每個(gè)受彎構(gòu)件——檁條、鋼架、桁架、托架——必須在負(fù)載下保持穩(wěn)定。一個(gè)常見的現(xiàn)象是構(gòu)件受壓翼緣在壓力作用下發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)屈曲，因此需要使用合適的支撐來防止這種情況發(fā)生。主框架壓翼的側(cè)向支撐通常由檁條提供，檁條的側(cè)向支撐由檁條之間的支撐或由緊固件連接的屋面板提供。為了使支撐有效，該支撐應(yīng)連接到受壓翼緣或盡可能靠近它。如果上支撐檁條完全滿足這一要求，通常由圓鋼或角鋼拉桿制成的中間檁條支撐與檁條腹板連接。

對(duì)于翼緣支撐的單腹板受彎構(gòu)建，即使通過腹板的載荷是完全對(duì)稱的，在垂直載荷的作用下也會(huì)發(fā)生橫向失穩(wěn)。單軸（C形）和點(diǎn)對(duì)稱（Z形）冷彎薄壁鋼更容易出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)，因?yàn)榧袅Φ闹匦碾x載荷施加點(diǎn)太遠(yuǎn)，重心在通常在上翼，邊緣的中心。此外，Z 形截面的主軸向腹板傾斜，因此任何向下的載荷都會(huì)產(chǎn)生水平分量。由于這些原因，C 型和 Z 型檁條在沒有橫向支撐的水平屋頂上會(huì)扭曲和傾斜，并在重力作用下變得不穩(wěn)定。

在坡屋面的情況下，檁條腹板垂直傾斜，這進(jìn)一步使扭轉(zhuǎn)問題復(fù)雜化。 作用在傾斜檁條上的垂直荷載可分為平行和垂直于屋頂?shù)膬蓚€(gè)分量：如果檁條如圖2所示放置，這兩種力會(huì)導(dǎo)致C形或Z形檁條的方向相反。方向相反。 在計(jì)算構(gòu)件幾何尺寸的基礎(chǔ)上，可以快速確定，如果屋頂間距與檁條翼緣尺寸與其高度的比值相同，則兩個(gè)構(gòu)件相同。

如果屋面坡度較大，正確的檁條方向是面朝上坡，如圖3所示。 當(dāng)幾乎水平的屋頂用螺栓固定時(shí)，檁條的方向總是偏移的，如圖3所示。 這是一種結(jié)構(gòu)，其中相對(duì)的檁條之間的屋頂板用作壓力支撐。

在實(shí)際的輕鋼結(jié)構(gòu)中，檁條與屋面材料（壓型鋼板）通過自剪釘?shù)冗B接件緊密連接。按照《冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50018-2002）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）等規(guī)定，穩(wěn)定性分析僅針對(duì)屋面材料能防止和不能防止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)的兩種極端情況進(jìn)行。事實(shí)上，檁條的實(shí)際工況介于兩者之間，其在風(fēng)吸力作用下的變形如圖5和圖6所示。

在風(fēng)吸力的影響下，壓型鋼板與受拉弦桿相連，隨著橫截面的扭轉(zhuǎn)變形，受拉弦桿的橫向變形很小，而壓力弦桿處于不穩(wěn)定和受力不利的狀態(tài)。檁條基本跨接，翼緣和腹板過渡處突然失穩(wěn)或局部失穩(wěn)導(dǎo)致整個(gè)檁條破壞。 因此需要在檁條場(chǎng)下翼緣腹板1/3處采用張緊的圓鋼拉桿或撐桿作為檁條的橫向支撐點(diǎn)，以避免皮帶失穩(wěn)和損壞。

（二）檁間支撐的種類

首先，側(cè)支撐可以由某些類型的金屬屋面板提供，主要是通過螺釘連接的屋面板。這些面板必須具有合適的厚度和面板形狀，并且可以提供連續(xù)的傳力途徑。

其次，可以通過幾根角鋼或圓鋼條將每個(gè)檁條和檐口連接起來作為支撐。圓鋼螺栓連接在檁條的頂翼緣或腹板上，組裝起來最簡(jiǎn)單也最經(jīng)濟(jì)，但往往不如角鋼支撐效果好。同時(shí)，檁條支撐必須張緊才能發(fā)揮其全部作用，但圓鋼容易下垂，無(wú)法起到支撐作用。角鋼支架可分段，每段的長(zhǎng)度隨檁條的間距而變化?？梢詫⒔卿摰念A(yù)切端插入檁條中準(zhǔn)備好的位置進(jìn)行緊固，如圖7所示。

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