論輕鋼結構中的連續檁條優化設計

朱張軍　劉磊

摘要：輕鋼結構在國內應用范圍越來越廣泛，而在輕鋼結構中屋面與墻面的檁條是重要的結構構件。這里結合高質量、低成本的經濟型社會設計要求，在保證質量的前提下，講經濟效益，對連續檁條加以簡化的設計方法進行了探討，以實現其最優化設計。

關鍵詞：鋼結構；屋面檁條；優化設計

前言

輕鋼結構因施工速度快，用鋼量省的特點在工業領域應用越來越廣泛，被越來越多業主普遍認可，但伴隨越來越多施工單位參與工程承包的境況，競爭越來越激烈。為了節省成本，將開銷降到最低，業主往往在中標前后都會讓設計單位做大量修改，浪費大量人力、物力及財力，為了改善這種情況。在設計階段就應將簡化設計考慮進去，實現輕鋼結構屋面檁條的優化。那么如何進行簡化，確定出一種有效、實用的方法，適合具體的工程設計呢？

1.連續檁條優化設計

1.1構造設計

檁條的穩定問題是由上或下受壓翼緣的彎扭引起的，當僅為檁條上翼緣受壓時由于屋面板固定在檁條上，能阻止檁條的側向位移，此時可以不考慮其彎矩失穩問題。但當檁條下翼緣受壓時，屋面為單層板時，則不能阻止下翼緣的失穩，這時拉條的合理設置及如何考慮屋面的蒙皮效應是關鍵。實際上拉條的作用很大，拉條不單使側向水平分量所產生的側向彎矩降低，要重要的是與屋面板一起形成了對下翼緣的變扭約束，從而提高了下翼緣受壓時的穩定承載力。

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，這點我們在設計中還是比較清楚的。如在屋脊、窗洞口處設置斜拉條等，但對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）中拉條設在檁條中部。拉力的力臂為零，對扭轉無抵抗作用，一般我們認為正確的位置應在檁條上端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。但在風吸力作用下是不利的。還有一種拉條設置如圖1（c），這雖然兼顧了上下設拉條，但這種作法有一個問題，須注意，拉條對檁條產生的順時針力矩。與屋面自重產生的扭矩同向，而與風吸力產生的扭矩反向，在屋面安裝時，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。這種做法就很不利，若在使用階段，屋面不能阻止檁條失穩，則拉條的附加扭矩對檁條也是不利的。當然在風吸力作用下拉條的扭矩與風荷載扭矩相抵消，則對檁條是有利的。另一種做法是與圖1（c）相反如圖1（d），則在施工中有利，在風吸力作用下不利，將圖1（c）、圖1（d）結合起來，則可有效防止檁條失穩。如圖1（e）。考慮到施工方便，也可采用圖1（f）。

為了對拉條位置進行分析，我們可以選取一跨加以計算。通過計算不難看出，不設置拉條顯然位移過大，首先是整體失穩，拉條在上部1/3處設與在中部設置拉條相比，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設拉條與下部1/3設拉條，在Y方向減少47%，這就說明在豎向力作用下在上部1/3設拉條是有利的，而在風吸力作用下，在下部1/3處設拉條是有利的，所以本文建議應在上部1/3處及下部1/3同時設拉條，能有效保證檁條的整體穩定。

1.2內力分析：檁條搭接區域截面剛度的影響

從構造上保證其整體穩定，我們再進行內力分析，以往的內力分析采用的方法是支座上搭接的連續梁分析模式，計算時在搭接區采用單個截面的抗彎剛度，但利用雙倍的截面模量計算強度和穩定，再考慮檁條搭接的松弛10%。這種方法存在一個問題，那就是搭接區剛度增大，內力將重分布，支座即搭接區承擔的內力要比按等截面計算的結果大，為此本文舉一六跨連續梁承受均勻荷載1.2恒+1.4活模式為例，定量分析其內力分布。

例題分不同的工況計算，從計算結果看，考慮連續檁條嵌套支座彎矩要比按等截面計算大6.45%～16.12%（邊跨）3.3%～13%（中跨）若按等截面計算內力且考慮嵌套的松弛按10%，用折減后的內力進行強度、穩定計算。偏于不安全。本文認為嵌套松弛應力與變截面計算增大的應力應同時考慮（示嵌套的長度不同而不同），所以在工程實際中，按截面計算連續檁條的內力（當嵌套<10%時），則嵌套松弛系宜取；邊跨支座1%，中間跨支座5%。從不同的嵌套長度看，5%L嵌套長度就可以接近于等截面連續梁的效果，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（由檁條孔壁承壓強度控制），搭接長度11+12=10%L（L：跨長），從本例看L=6m，則為0.3+0.3=0.6，所以M=2×10.08x0.6=12.1kN·m。這個值接近單檁條的彈性極限抗彎能力，所以說搭接長度降到5%L，其承載力很有可能不夠。而搭接長度增加至20%跨長，支座彎矩增大過多，反而不經濟。所以我們一般認為搭接10%跨長，是比較合理的。

2.結語

在輕鋼結構檁條設計中，可以根據具體情況從設置連續檁條、增加結構構造、采用合理荷載取值及分布等方面人手來進行優化設計。輕鋼結構屋面檁條設計，應從荷載取值、計算公式、構造措施等多方面綜合考慮，根據工程實際情況認真分析、合理選取，實現檁條設計的最優化及最簡化，既可保證檁條的使用安全。又能最大限度的減少用鋼量，創造最大的綜合經濟效益。