屋面檁條對鋼梁平面外穩定的可靠性分析

肖湘

摘要：輕鋼結構在世界范圍內經歷了半個多世紀的發展，現已發展成一套自己的體系。檁條對鋼梁平面外穩定的可靠性分析是現代各種工程中經常遇到的問題。目前，國內對門式輕鋼結構屋蓋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鋼梁平面外穩定的可靠性的研究還不夠深入。有必要對其進行更加深入的研究。

關鍵詞：屋面檁條;鋼梁平面外穩定;可靠性

Z和C截面的冷彎型鋼構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件[1]。幾十年的經驗表明，在輕鋼結構屋面中，檁條的用鋼量約占整個屋面系統的55%左右[2]，所以要降低屋面系統的用鋼量，首先要從檁條入手，明確屋面檁條對鋼梁平面外穩定的可靠性，同時這也是確保工程安全與效益的關鍵所在。

一、冷彎薄壁檁條對鋼梁平面外穩定的可靠性研究

在許多工業和民用建筑中，冷彎薄壁鋼用于各種次要構件，甚至一些結構構件，其優點是重量輕，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，橫向和抗扭能力強變形小，外力淺一般不通過其截面的彎曲中心，造成嚴重的復合彎曲和扭轉變形[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，往往會導致桿件局部和橫向彎曲。這就是為什么薄壁檁條的穩定性指標在輕鋼結構施工中的作用比強度指標更重要的原因。計算必須考慮扭轉變形和由不通過橫向力中心的載荷產生的扭轉引起的受約束的扭曲應力。

（一）冷彎薄壁檁條的穩定設計

薄壁檁條更容易出現穩定性問題，因為C型或Z型冷彎薄壁構件具有高強度、薄壁、大截面開口等截面特性，使得薄壁檁條部件受力時容易扭曲 不穩定現象，抗扭強度差。由于載荷點的偏心和部件的剪切中心，部件通過扭轉產生額外的應力，甚至通過過度的扭轉變形產生傾斜。如果彎曲桿沒有合適的支撐系統來防止橫向彎曲和扭轉，它通常會在達到其強度極限之前失去整體穩定性，即H。它通過彎曲和扭轉屈曲的承載能力。梁的臨界彎矩隨橫向彎曲剛度、扭轉剛度和載荷作用模式等因素而變化。調查表明，許多重大鋼結構事故都是由二級結構整體或局部失穩引起的[4]。關于薄壁檁條的整體穩定性，各個國家對薄壁構件的規定都沒有具體規定。目前的門戶框架規定，檁條的穩定性必須按照法規附錄E的規定進行計算。法規附錄E（檁條在風吸力作用下的穩定性計算）是根據歐洲標準ECS-ENV-1996制定的。由于設計者不知道引用的國外規范條款，而且計算比較復雜，也不是硬性規定，因此在具體項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

通常使用的檁條型材不是雙軸對稱截面，C形截面是單軸對稱截面，Z形截面是點對稱截面。 Z形截面的重心軸不是傳統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，作用在檁條平面內或外。屋頂俯仰角α。 拆卸過程在相關說明中有說明，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，不要混淆設計。

檁條一般是雙向彎曲鋼筋，強度比較容易計算：可以通過平面內外的彎矩和相應的截面參數計算應力，然后疊加。需要注意的是，強度計算中使用的橫截面參數是有效橫截面參數，即冷彎薄壁構件的板材在不同的載荷和支撐條件下存在無效部分，從全量中扣除。橫截面。剩余的橫截面可用作計算的橫截面。有效截面的選擇并不困難，詳細的計算方法包含在規范中。確定有效截面后，需要重新計算重心軸有效截面的截面特性[5]。對于C型和Z型檁條，計算到重心的有效橫截面，軸的橫截面特性很成問題。因此，在工程設計中，在確定檁條截面規格和間距時，往往需要避免無效截面的出現，保證整個檁條截面有效，以簡化計算，節省材料。

（三）檁條的整體穩定

穩定性問題是鋼結構建筑中的一個突出問題。鋼結構的穩定性是決定其承載能力的一個特別重要的因素。在鋼結構研究領域，近幾十年來，國內外在穩定電力利用潛力的研究和穩定計算理論的完善方面取得了長足的進步。例如，完善鋼結構彈塑性穩定性理論，研究具有幾何誤差和殘余應力的鋼結構的實際力學性能和承載能力，并利用數值方法解決此類問題，已經產生了大量研究。在進行理論分析的同時，對穩定性行為進行了測試驗證，將理論研究結果圖形化或轉化為實用計算公式，使彈塑性穩定性理論用于解決鋼結構設計中的問題，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力的組合仍小于型材的承載能力，但鋼筋會突然偏離原彎曲變形平面，造成橫向偏轉和扭轉。 ，稱為彎曲的總不穩定性。受彎構件整體失穩后，通常不再能夠承受更高載荷的作用，而且不僅不能限制構件平面外的彎曲和扭轉（即彎曲和扭轉變形）的發展，組件的靜態平衡不能維持和破壞。整體不穩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出現波浪形的壓筋變形，稱為局部失穩。

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

當作用在檁條上的荷載達到一定值時，上翼緣的中壓應力接近臨界值，上翼緣將屈曲自身的弱軸。由于腹板和下翼緣的存在，上翼緣不能簡單地自身變形，形成自身強軸Y軸地屈曲，但會被腹板和下翼緣拉動產生扭轉，從而使整個檁條產生側向彎曲和扭轉，導致強度失效前失去穩定性。

二、檁間支撐的設置及計算

（一）檁間支撐的設置

每個受彎構件——檁條、鋼架、桁架、托架——必須在負載下保持穩定。一個常見的現象是構件受壓翼緣在壓力作用下發生彎曲和扭轉屈曲，因此需要使用合適的支撐來防止這種情況發生。主框架壓翼的側向支撐通常由檁條提供，檁條的側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。

對于翼緣支撐的單腹板受彎構建，即使通過腹板的載荷是完全對稱的，在垂直載荷的作用下也會發生橫向失穩。單軸（C形）和點對稱（Z形）冷彎薄壁鋼更容易出現側向失穩，因為剪力的重心離載荷施加點太遠，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產生水平分量。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扭曲和傾斜，并在重力作用下變得不穩定。

在坡屋面的情況下，檁條腹板垂直傾斜，這進一步使扭轉問題復雜化。 作用在傾斜檁條上的垂直荷載可分為平行和垂直于屋頂的兩個分量：如果檁條如圖2所示放置，這兩種力會導致C形或Z形檁條的方向相反。方向相反。 在計算構件幾何尺寸的基礎上，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，則兩個構件相同。

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。 當幾乎水平的屋頂用螺栓固定時，檁條的方向總是偏移的，如圖3所示。 這是一種結構，其中相對的檁條之間的屋頂板用作壓力支撐。

在實際的輕鋼結構中，檁條與屋面材料（壓型鋼板）通過自剪釘等連接件緊密連接。按照《冷彎薄壁鋼結構設計規范》（GB50018-2002）、《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）等規定，穩定性分析僅針對屋面材料能防止和不能防止檁條側向失穩和扭轉的兩種極端情況進行。事實上，檁條的實際工況介于兩者之間，其在風吸力作用下的變形如圖5和圖6所示。

在風吸力的影響下，壓型鋼板與受拉弦桿相連，隨著橫截面的扭轉變形，受拉弦桿的橫向變形很小，而壓力弦桿處于不穩定和受力不利的狀態。檁條基本跨接，翼緣和腹板過渡處突然失穩或局部失穩導致整個檁條破壞。 因此需要在檁條場下翼緣腹板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，以避免皮帶失穩和損壞。

（二）檁間支撐的種類

首先，側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，并且可以提供連續的傳力途徑。

其次，可以通過幾根角鋼或圓鋼條將每個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，組裝起來最簡單也最經濟，但往往不如角鋼支撐效果好。同時，檁條支撐必須張緊才能發揮其全部作用，但圓鋼容易下垂，無法起到支撐作用。角鋼支架可分段，每段的長度隨檁條的間距而變化。可以將角鋼的預切端插入檁條中準備好的位置進行緊固，如圖7所示。

參考文獻：

[1] 徐善華，牟林，張宗星，等. 銹損冷彎薄壁C形鋼梁受彎承載力試驗研究[J]. 東南大學學報（自然科學版），2021，51（1）：9-15.

[2] 侯娟，葉志明，張基濤. 輕型鋼結構中梁及檁條穩定性的研究進展[J]. 建筑鋼結構進展，2004，6（4）：15-21.

[3] 宋新利. 門式輕型鋼結構的隅撐設計及其受力分析[J]. 四川建材，2010，36（4）：43-44.

[4] 李國勝. 門式剛架抗風柱與鋼梁下翼緣連接問題及改進[J]. 建筑結構，2021，51（9）：128-135.

[5] 李慧. 裝配式輕型桁架檁條整體受力性能試驗研究及影響因素分析[J]. 鋼結構，2018，33（6）：28-32，38.