論輕鋼結(jié)構(gòu)中的連續(xù)檁條優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱張軍　劉磊

摘要：輕鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，而在輕鋼結(jié)構(gòu)中屋面與墻面的檁條是重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這里結(jié)合高質(zhì)量、低成本的經(jīng)濟(jì)型社會(huì)設(shè)計(jì)要求，在保證質(zhì)量的前提下，講經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)連續(xù)檁條加以簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，以實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；屋面檁條；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

輕鋼結(jié)構(gòu)因施工速度快，用鋼量省的特點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，被越來(lái)越多業(yè)主普遍認(rèn)可，但伴隨越來(lái)越多施工單位參與工程承包的境況，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。為了節(jié)省成本，將開(kāi)銷降到最低，業(yè)主往往在中標(biāo)前后都會(huì)讓設(shè)計(jì)單位做大量修改，浪費(fèi)大量人力、物力及財(cái)力，為了改善這種情況。在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)將簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)考慮進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)屋面檁條的優(yōu)化。那么如何進(jìn)行簡(jiǎn)化，確定出一種有效、實(shí)用的方法，適合具體的工程設(shè)計(jì)呢？

1.連續(xù)檁條優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1構(gòu)造設(shè)計(jì)

檁條的穩(wěn)定問(wèn)題是由上或下受壓翼緣的彎扭引起的，當(dāng)僅為檁條上翼緣受壓時(shí)由于屋面板固定在檁條上，能阻止檁條的側(cè)向位移，此時(shí)可以不考慮其彎矩失穩(wěn)問(wèn)題。但當(dāng)檁條下翼緣受壓時(shí)，屋面為單層板時(shí)，則不能阻止下翼緣的失穩(wěn)，這時(shí)拉條的合理設(shè)置及如何考慮屋面的蒙皮效應(yīng)是關(guān)鍵。實(shí)際上拉條的作用很大，拉條不單使側(cè)向水平分量所產(chǎn)生的側(cè)向彎矩降低，要重要的是與屋面板一起形成了對(duì)下翼緣的變扭約束，從而提高了下翼緣受壓時(shí)的穩(wěn)定承載力。

拉條的作用很容易理解，但拉條的傳力方式則往往被忽略，拉條的力一般需要傳至剛架上，這點(diǎn)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中還是比較清楚的。如在屋脊、窗洞口處設(shè)置斜拉條等，但對(duì)于檁條與拉條的連接位置，怎么拉最合理，研究的少。屋面檁條在外力作用下，將產(chǎn)生扭矩。

我們就幾種拉條的布置方式加以討論。圖1（a）中拉條設(shè)在檁條中部。拉力的力臂為零，對(duì)扭轉(zhuǎn)無(wú)抵抗作用，一般我們認(rèn)為正確的位置應(yīng)在檁條上端1/3高度處，如圖1（b）在豎向力作用下拉條可提供較大的抗扭約束。但在風(fēng)吸力作用下是不利的。還有一種拉條設(shè)置如圖1（c），這雖然兼顧了上下設(shè)拉條，但這種作法有一個(gè)問(wèn)題，須注意，拉條對(duì)檁條產(chǎn)生的順時(shí)針力矩。與屋面自重產(chǎn)生的扭矩同向，而與風(fēng)吸力產(chǎn)生的扭矩反向，在屋面安裝時(shí)，由于屋面板還未安裝，不能阻檁條在自重和施工荷載作用下的失穩(wěn)。這種做法就很不利，若在使用階段，屋面不能阻止檁條失穩(wěn)，則拉條的附加扭矩對(duì)檁條也是不利的。當(dāng)然在風(fēng)吸力作用下拉條的扭矩與風(fēng)荷載扭矩相抵消，則對(duì)檁條是有利的。另一種做法是與圖1（c）相反如圖1（d），則在施工中有利，在風(fēng)吸力作用下不利，將圖1（c）、圖1（d）結(jié)合起來(lái)，則可有效防止檁條失穩(wěn)。如圖1（e）?？紤]到施工方便，也可采用圖1（f）。

為了對(duì)拉條位置進(jìn)行分析，我們可以選取一跨加以計(jì)算。通過(guò)計(jì)算不難看出，不設(shè)置拉條顯然位移過(guò)大，首先是整體失穩(wěn)，拉條在上部1/3處設(shè)與在中部設(shè)置拉條相比，Y方向位移減少了41.4%。z方向位移減少了39.9%。而在上部1/3設(shè)拉條與下部1/3設(shè)拉條，在Y方向減少47%，這就說(shuō)明在豎向力作用下在上部1/3設(shè)拉條是有利的，而在風(fēng)吸力作用下，在下部1/3處設(shè)拉條是有利的，所以本文建議應(yīng)在上部1/3處及下部1/3同時(shí)設(shè)拉條，能有效保證檁條的整體穩(wěn)定。

1.2內(nèi)力分析：檁條搭接區(qū)域截面剛度的影響

從構(gòu)造上保證其整體穩(wěn)定，我們?cè)龠M(jìn)行內(nèi)力分析，以往的內(nèi)力分析采用的方法是支座上搭接的連續(xù)梁分析模式，計(jì)算時(shí)在搭接區(qū)采用單個(gè)截面的抗彎剛度，但利用雙倍的截面模量計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定，再考慮檁條搭接的松弛10%。這種方法存在一個(gè)問(wèn)題，那就是搭接區(qū)剛度增大，內(nèi)力將重分布，支座即搭接區(qū)承擔(dān)的內(nèi)力要比按等截面計(jì)算的結(jié)果大，為此本文舉一六跨連續(xù)梁承受均勻荷載1.2恒+1.4活模式為例，定量分析其內(nèi)力分布。

例題分不同的工況計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果看，考慮連續(xù)檁條嵌套支座彎矩要比按等截面計(jì)算大6.45%～16.12%（邊跨）3.3%～13%（中跨）若按等截面計(jì)算內(nèi)力且考慮嵌套的松弛按10%，用折減后的內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定計(jì)算。偏于不安全。本文認(rèn)為嵌套松弛應(yīng)力與變截面計(jì)算增大的應(yīng)力應(yīng)同時(shí)考慮（示嵌套的長(zhǎng)度不同而不同），所以在工程實(shí)際中，按截面計(jì)算連續(xù)檁條的內(nèi)力（當(dāng)嵌套<10%時(shí)），則嵌套松弛系宜??；邊跨支座1%，中間跨支座5%。從不同的嵌套長(zhǎng)度看，5%L嵌套長(zhǎng)度就可以接近于等截面連續(xù)梁的效果，但搭接連接的承載力不夠。若不考慮檁條嵌套握裹效果，檁條搭接的抗彎能力為M=2Nv（1+12），若檁條為Z200x70x20x2，M12普通螺栓連接，允許抗剪能力Nv=10，08kN（由檁條孔壁承壓強(qiáng)度控制），搭接長(zhǎng)度11+12=10%L（L：跨長(zhǎng)），從本例看L=6m，則為0.3+0.3=0.6，所以M=2×10.08x0.6=12.1kN·m。這個(gè)值接近單檁條的彈性極限抗彎能力，所以說(shuō)搭接長(zhǎng)度降到5%L，其承載力很有可能不夠。而搭接長(zhǎng)度增加至20%跨長(zhǎng)，支座彎矩增大過(guò)多，反而不經(jīng)濟(jì)。所以我們一般認(rèn)為搭接10%跨長(zhǎng)，是比較合理的。

2.結(jié)語(yǔ)

在輕鋼結(jié)構(gòu)檁條設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)具體情況從設(shè)置連續(xù)檁條、增加結(jié)構(gòu)構(gòu)造、采用合理荷載取值及分布等方面人手來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。輕鋼結(jié)構(gòu)屋面檁條設(shè)計(jì)，應(yīng)從荷載取值、計(jì)算公式、構(gòu)造措施等多方面綜合考慮，根據(jù)工程實(shí)際情況認(rèn)真分析、合理選取，實(shí)現(xiàn)檁條設(shè)計(jì)的最優(yōu)化及最簡(jiǎn)化，既可保證檁條的使用安全。又能最大限度的減少用鋼量，創(chuàng)造最大的綜合經(jīng)濟(jì)效益。