淺析輕鋼結構實腹式檁條間拉條設計

夏一云

(1.四川宏基原創設計有限公司,四川德陽 618000;2.四川建筑職業技術學院,四川德陽 618000)

淺析輕鋼結構實腹式檁條間拉條設計

夏一云

(1.四川宏基原創設計有限公司,四川德陽 618000;2.四川建筑職業技術學院,四川德陽 618000)

輕鋼結構是今后大型廠房和公共建筑發展的主要方向。目前,通常情況下輕鋼結構建筑的柱距在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。但在經濟成本更低的情況下,如何提高結構的穩定性還是有很大的操作空間。筆者總結了在同等條件下,拉條的設置形式對結構的受力和經濟性的影響。

輕鋼結構 檁條 拉條 撐桿

1 輕鋼結構的特點

1.1 自重輕

輕鋼結構構件多為薄壁型鋼，自重很輕，特別是圍護系統，壓型鋼板加保溫層等圍護系統重量僅為鋼筋混凝土結構的8%左右，結構本身負荷少，地震作用小，可以減少地基和基礎費用，特別適合舊房加層，幾乎不增加荷載。

1.2 力學性能好

強度高，力學性能好，特別適合大跨度結構。從梁高跨比來看，鋼筋混凝土結構一般為1：12，鋼結構為1：24，差一倍，對輕鋼結構就來說差距就更明顯了，鋼筋混凝土結構要做到30米以上跨度就比較困難，也不經濟，而采用輕鋼結構就相對簡單的多。

1.3 制作和施工周期短,質量易控制

輕鋼結構構件工廠加工制作，建筑材料是成品或半成品，現場組裝。工廠制作全天候作業，現場施工，施工機械簡單機械化程度高，不必支模拆模，構件工廠批量生產，縮短了制作和施工周期。另外，工廠加工精度高，尺寸誤差小，現場多為螺栓連接，質量容易控制。

1.4 造價低,綜合指標好

輕鋼結構能快速發展的一個重要原因就是用材省，成本低，與傳統鋼筋混凝土結構相比，工效提高1/4～1/3，加上后期圍護費用，也比鋼筋混凝土結構有經濟優勢。

1.5 綠色環保

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

輕鋼結構圍護系統的承重構件一般由C型檁條、Z型檁條承擔，檁條設計的合理與否直接影響圍護系統的造價。

2 輕鋼結構圍護系統設計

2.1 屋面檁條設計

常用檁條型號：(1)C型檁條的特點及適用范圍：檁條的截面互換性大，應用普遍，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 設計荷載及設計原則

(1)設計荷載。永久荷載：包括屋面圍護材料重量(包括防水層、保溫或隔熱層等)、支撐(當支撐連于檁條上時)及檁條結構自重。

可變荷載：包括屋面均布活荷載、雪荷載、積灰荷載及風荷載等。

(2)設計原則。屋面檁條計算和拉條的設置有關，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向位移和扭轉，此時只需計算檁條強度，但這種板型因溫度變形能力和防水能力較差，現在已經較少采用。

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生滑動，不宜將它假定為能阻止檁條上翼緣側向位移和扭轉，除了計算檁條強度，還需計算其穩定性。

設計上要求，實腹式檁條跨度大于4m時，在受壓翼緣應設置拉條或撐桿，拉條和撐桿的截面應按計算確定。圓鋼拉條直徑不宜小于10mm，撐桿的長細比不得大于200；當檁條上、下翼緣表面均設置壓型鋼板，并與檁條牢固連接時可不設拉條和撐桿。但拉條的設置對于檁條的受力很重要，拉條可以減少My，提高檁條的整體穩定性。

因此，在恒載、活載及風壓力作用下，檁條上翼緣受壓，拉條應設置在檁條上翼緣1/3處(目前止種做法應用最為普遍)。在風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向位移和扭轉，如果計算時要考慮拉條能約束檁條下翼緣，此時應在檁條下翼緣1/3處同樣設置拉條。

2.1.2 設計方法

檁條計算時應和工程實際情況相對應，采用哪種公式要根據屋面板板型和拉條的設置情況來確定，特別是現在普遍采用計算機軟件來設計，一個選項或參數設錯，就直接影響計算結果。

當屋面板能阻止檁條側向位移和扭轉時，可不做檁條穩定性驗算，采用CECS102-2002中6.3.7-1計算；當屋面板不能阻止檁條側向位移和扭轉時，按CECS102-2002中6.3.7-2計算。對于屋面采用單層彩鋼板的結構，構造不能保證檁條下翼緣的穩定性，且按習慣做法拉條設置在檁條上翼緣，此時下翼緣在風吸力作用下的穩定計算考慮兩種情況：(1)僅在上翼緣設拉條，(2)設雙層拉條。

通過具體實例進行對比拉條的設置情況對檁條計算的影響：

某輕鋼廠房柱距6m，邊緣帶檁距1.5m，鋼材Q235，基本風壓0.55KN/m2，風壓高度變化系數1.14，屋面坡度1/20，恒載0.2KN/m2設兩道拉條，經計算，截面由風吸力控制，檁條下翼緣計算結果表1所示：(采用中國建筑科學研究院PKPM STS 2008版計算)

由此可見：當風吸力起主要控制作用時，設置雙層拉條比增大檁條截面更經濟。

需要指出的是，此處如果屋面板能阻止檁條上翼緣側向失穩，可僅在檁條下翼緣設置拉條，計算結果與設雙層拉條是一樣的。

當然，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效應。

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，但當拉條強度滿足后，拉條的剛度對抗彎和壓彎承載力的影響可忽略。所以門規推薦拉條的最小直徑取為10mm。因此筆者建議，當僅設置一道拉條時，可以采用在檁條下翼緣與相鄰檁條上翼緣斜向設拉條的方式。

2.2 墻梁設計

2.2.1 設計原則

墻梁設計與屋面檁條設計類似，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，要根據具體情況具體分析。另外，墻梁設計時根據構造條件的不同要考慮雙彎矩的影響。

2.2.2 設計方法

根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》8.3.1條及其條文說明，兩側掛墻板的墻梁和一側掛墻板、另一側設有可阻止其扭轉變形的拉桿的墻梁，可不計彎扭雙力矩的影響(即可取B=0)，此時可僅進行墻梁的強度計算。因此對于非自承重的墻板，應在檁條內外設置雙側拉條，對于自承重墻板，可僅在內側設置拉條。

對于風吸力作用下內翼緣的穩定性計算，與屋面檁條類似，墻板一般采用自攻螺釘與檁條固定，可認為墻板能阻止墻梁外翼緣側向失穩。

同樣舉例，某輕鋼廠房柱距6m，邊緣帶檁距1.5m，鋼材Q235，基本風壓0.55KN/m2，風壓高度變化系數1.14，設兩道拉條，經計算，截面由風吸力控制，檁條下翼緣計算結果表2所示：(采用中國建筑科學研究院PKPM STS 2008版計算)

由此可見：拉條設置在墻梁內側比增大檁條截面更經濟。

而對于非自承重墻板，宜在墻梁內外設雙側拉條，外側拉條可以作為墻板在自重作用下墻梁的豎向支點。在墻板頂部和窗戶下的墻梁處應同時設置斜拉條和直撐桿，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，整體穩定有保證，故底部墻梁處可不設斜拉條和直撐桿。

3 結語

(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力越大，而在風吸力作用下正好相反。所以，在檁條的設計中應考慮多根檁條由拉條串聯后的內力疊加。當房屋坡度方向較大時應間隔一定數量的拉條設置一對斜拉條，以分段傳遞內力。因拉條只能受拉，但拉條作為檀條的側向支撐點時同時受拉和受壓，因此在檐口和屋脊應布置斜拉條和撐桿，以形成幾何不變體系。撐桿按壓桿設計，不宜用圓鋼，一般用角鋼或鋼管內設拉條的做法，設置撐桿的同時應設斜拉條。

(2)輕鋼結構圍護系統設計時，要重視構造措施對提高結構穩定性的作用，應根據彩鋼板板型及連接方式選擇合理的構造設計措施；構件計算時若是穩定起控制作用，應首先通過構造手段解決構件穩定性，而不是盲目加大構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濟效益。

[1]中國工程建設標準化協會標準.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程CECS:102:2002北京:中國計劃出版社,2003.

[2]國家標準.冷彎薄壁型鋼結構技術規范GB:50018-2002.北京:中國計劃出版社,2002.

[3]汪一駿等.鋼結構設計手冊(第三版)北京:中國建筑工業出版社,2002.