鋼檁條的概念設(shè)計及計算方法

劉 建

(湖北省工業(yè)建筑集團(tuán)有限公司設(shè)計咨詢分公司，湖北 武漢 430000)

鋼檁條是工業(yè)廠房屋面的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)其截面特征可分為實腹式檁條、空腹式檁條及桁架式檁條[1]。空腹式檁條及桁架式檁條構(gòu)造復(fù)雜，施工繁瑣，拼裝及焊接工作量大，實腹式檁條在工程中應(yīng)用更廣泛。許多設(shè)計人員不清楚檁條的受力特點和計算部位，過度依賴軟件進(jìn)行設(shè)計，對一些基本假設(shè)概念模糊，荷載統(tǒng)計及荷載組合不準(zhǔn)確，導(dǎo)致設(shè)計的檁條存在安全隱患或鋼材用量過大。

1 檁條的概念設(shè)計

1.1 檁條的選型

實腹式檁條包括普通型鋼檁條、高頻焊接輕型H型鋼(以下簡稱“輕型H型鋼”)檁條及冷彎薄壁型鋼檁條三種。普通型鋼檁條因型材較厚，強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，用鋼量大，工程中較少采用。輕型H型鋼腹板薄、抗彎剛度好、易于連接，常用于檁條跨度大于6 m且荷載較大的屋面。冷彎薄壁型鋼檁條有C型檁條及Z型檁條，C型檁條用鋼省，安裝方便，適用于檁條跨度不大于6 m且坡度較小的屋面；Z型檁條亦具有C型檁條的優(yōu)點，一般用于坡度較大的屋面。

實腹式檁條的截面均宜垂直于屋面，對C型和Z型檁條，將上翼緣肢尖朝向屋脊方向，以減少屋面荷載偏心引起的扭矩。脊檁應(yīng)采用雙檁方案，在1/3跨度處采用圓鋼相互拉結(jié)。

考查簡支梁在均布荷載下的撓度計算公式可知，鋼材的彈性模量E與鋼材牌號無關(guān)，故當(dāng)撓度起控制作用時，可選用較低等級的鋼材；當(dāng)強(qiáng)度(或穩(wěn)定)起控制作用時可選擇較高等級的鋼材。

1.2 簡支檁條與連續(xù)檁條

工程中常用的連續(xù)檁條一般有3種連接方式：雙跨連續(xù)、一跨懸挑+一跨簡支、支座連續(xù)搭接。圖1a)是四跨的雙跨連續(xù)檁條，兩跨連續(xù)之間鉸接；圖1b)是三跨的兩邊跨帶懸挑與中跨鉸接的檁條，通常懸臂長度為0.1L；圖1c)是三跨搭接的連續(xù)梁。圖2是單跨簡支檁條。

由《靜力計算手冊》：連續(xù)檁條跨中彎矩較小，節(jié)約鋼材，但中部支座反力比簡支情況大，剛架或屋架用鋼量增加；此外，連續(xù)檁條施工吊裝較簡支檁條復(fù)雜，當(dāng)柱基有不均勻沉降時，連續(xù)檁條內(nèi)力變化大，這是在檁條計算中無法衡量的因素，存在安全隱患。綜合以上因素，工程中宜選用簡支檁條，其截面高度可根據(jù)荷載的大小取l/35～l/50。

2 拉條的布置及其作用

拉條的設(shè)置與否主要和檁條的跨度和側(cè)向剛度有關(guān)。

檁條承受的荷載有：屋面恒載，屋面活荷載，屋面雪荷載，積灰荷載，風(fēng)荷載等。恒載、活載、雪荷載、積灰荷載均為豎直向下；風(fēng)荷載垂直作用于屋面，有向下的壓力和向上的吸力兩種情況。因此，檁條應(yīng)分兩種工況驗算，一種為豎直向下荷載組合(組合值均向下)，另一種為豎直向下荷載與垂直于屋面向上的風(fēng)吸力組合(組合值可能向下，也可能向上)。

2.1 豎向荷載工況下

恒載、活載及風(fēng)壓力都是向下的荷載，在豎向向下的工況下，簡支檁條的上翼緣受壓，當(dāng)屋面板能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)時，可只驗算其強(qiáng)度；當(dāng)屋面板不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)時，應(yīng)驗算其強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性[2]。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)：屋面板每個或隔一個肋與檁條用自攻螺釘連接，且間距不大于300 mm或兩個肋寬時，可認(rèn)為屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)；采用扣合式屋面板，不能作為檁條的側(cè)向支撐[3]。

當(dāng)屋面板不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)且不設(shè)拉條時，檁條整體穩(wěn)定驗算，側(cè)向計算長度ly取其跨度，即ly=l。當(dāng)在檁條上翼緣附近(約2/3檁條截面高度處)設(shè)置拉條時，側(cè)向計算長度ly=l1(l1為拉條間距)。

2.2 恒載與風(fēng)吸力工況下

恒載豎直向下，風(fēng)吸力垂直于屋面向上，組合值可能向下也可能向上。該工況下，恒載是有利因素，分項系數(shù)取1.0，不考慮屋面活載的組合，風(fēng)荷載的分項系數(shù)取1.4。若1.0恒載+1.4風(fēng)荷載(向上的吸力取負(fù)值)小于0時，檁條下翼緣受壓，應(yīng)驗算在該工況下的強(qiáng)度。當(dāng)有內(nèi)襯板固定在受壓下翼緣時，相當(dāng)于有密集的小拉條在側(cè)向約束下翼緣，整體穩(wěn)定可不做驗算，否則應(yīng)驗算檁條在恒載與風(fēng)吸力工況下的整體穩(wěn)定。不設(shè)拉條時，檁條整體穩(wěn)定驗算，側(cè)向計算長度ly取其跨度，即ly=l；當(dāng)在檁條下翼緣附近(約1/3檁條截面高度處)設(shè)置拉條時，側(cè)向計算長度ly=l1(l1為拉條間距)。

2.3 常用的經(jīng)驗做法

檁條跨度不大于4 m時，可按計算要求確定是否需要設(shè)置拉條；4 m<檁條跨度≤6 m時，應(yīng)在檁條跨中受壓翼緣附近設(shè)置一道拉條；檁條跨度大于6 m時，宜在檁條跨度三分點處受壓翼緣附近各設(shè)一道拉條。拉條一般選φ=12 mm圓鋼。

3 簡支檁條的計算方法

3.1 按照GB 500018—2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范

強(qiáng)度：詳見GB 50018—2002式8.1.1-1(限于篇幅，在此不列出公式，下同)。

穩(wěn)定：詳見GB 50018—2002式8.1.1-2。

撓度：

(1)

3.2 按照GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[4]

強(qiáng)度：詳見GB 50017—2003式4.1.1。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中只給出了H型鋼或工字形截面的整體穩(wěn)定計算公式：詳見GB 50017—2003式4.2.2。

撓度：同式(1)。

3.3 按照GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[5]

強(qiáng)度：詳見GB 51022—2015式9.1.5-1。

穩(wěn)定：詳見GB 51022—2015式9.1.5-3。

撓度：同式(1)。

上述三種規(guī)范中，GB 51022—2015門規(guī)參考了最新的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，是這三種規(guī)范中最新頒布的規(guī)范，當(dāng)采用冷彎薄壁型鋼檁條時，按照該規(guī)范設(shè)計檁條是安全且符合我國當(dāng)前國情的；對普通型鋼或輕型H型鋼檁條設(shè)計時建議采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。

4 計算實例

一輕型門式剛架，采用扣合式壓型鋼板屋面，坡度1/10，簡支檁條，跨度12 m，恒載(對水平投影面，余同)0.4 kN/m2，不上人屋面均布活載0.3 kN/m2，雪荷載0.5 kN/m2。風(fēng)荷載壓力標(biāo)準(zhǔn)值0.3 kN/m2，風(fēng)荷載吸力0.75 kN/m2，試設(shè)計檁條的截面及布置拉條。

4.1 檁條的截面形式選擇及拉條的布置

檁條跨度l=12 m>6 m且檁距2 m>1.5 m，選用高頻焊接輕型H型鋼，扣合式屋面板不能阻止檁條的側(cè)向失穩(wěn)，應(yīng)在檁條跨度1/3處各設(shè)一道拉條(上翼緣附近)，間距4 m。

4.2 豎向荷載工況下

恒載與活載均為豎直向下的荷載，風(fēng)壓力為垂直于屋面向下。

恒載：gxk=0.4×2×sin5.7=0.08 kN/m；

gyk=0.4×2×cos5.7=0.8 kN/m。

max{活荷載，雪荷載}，取較大值0.5 kN/m2計算：

qxk=0.5×2×sin5.7=0.1 kN/m；

qyk=0.5×2×cos5.7=1 kN/m。

風(fēng)荷載(壓力，垂直于屋面向下)：qwk=0.3×2=0.6 kN/m。

荷載組合：

q=1.2gk+1.4qk+1.4×0.6×qwk；

qx=1.2×0.08+1.4×0.1=0.236 kN/m；

qy=1.2×0.8+1.4×1+1.4×0.6×0.6=2.86 kN/m。

Mx=qyl2/8=2.86×122/8=51.5 kN/m；

由《靜力計算手冊》：

輕型H型鋼不屬于冷彎薄壁類，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算，實腹式檁條的高度可取l/35～l/50，初選H300×150×4.5×6，Q345；

Wnx=3.19×105mm3，Wny=4.5×104mm3，iy=33 mm；

1)強(qiáng)度驗算。

168.5 N/mm2

滿足強(qiáng)度要求。

2)穩(wěn)定驗算。

232.2 N/mm2

滿足穩(wěn)定應(yīng)力要求。

4.3 恒載與風(fēng)吸力工況下

恒載豎向向下，風(fēng)吸力垂直于屋面向上。該工況下，恒載及活載均為有利因素，恒載的分項系數(shù)取1.0，不考慮活荷載的有利作用。

gxk，gyk的計算同4.2節(jié)。

風(fēng)荷載(吸力，垂直于屋面向上)：

qwk=-0.75×2=-1.5 kN/m。

荷載組合：

q=1.0gk+1.4×qwk；

qx=1.0×0.08=0.08 kN/m；

qy=1.0×0.8+1.4×(-1.5)=-1.3 kN/m；

1)強(qiáng)度驗算。

75.7 N/mm2

滿足強(qiáng)度要求。

2)穩(wěn)定驗算。

a.下翼緣附近不設(shè)拉條時，ly=l=12 m。

βb=1.73-0.2ξ=1.73-0.2×1.6=1.41；

416.8 N/mm2>f=305 N/mm2。

不滿足穩(wěn)定應(yīng)力要求，應(yīng)在下翼緣附近設(shè)置拉條。

b.下翼緣附近設(shè)置拉條。

下翼緣設(shè)置拉條時，位置應(yīng)對應(yīng)于上翼緣拉條，共設(shè)兩道拉條，間距4 m：

=97.6 N/mm2

滿足穩(wěn)定應(yīng)力要求。

4.4 撓度驗算

qk=gyk+qyk=0.8+1=1.8 kN/m。

滿足撓度要求。

5 結(jié)語

介紹了實腹式鋼檁條的選型，拉條的布置，對屋面板是否能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)做出了總結(jié)。檁條應(yīng)作強(qiáng)度及撓度驗算。在豎向荷載工況下，檁條上翼緣受壓，當(dāng)屋面板不能阻止上翼緣側(cè)向扭轉(zhuǎn)時，應(yīng)在檁條上翼緣附近設(shè)置拉條，穩(wěn)定驗算時取ly為拉條間距；當(dāng)屋面板能阻止上翼緣側(cè)向扭轉(zhuǎn)時，可不計算檁條的整體穩(wěn)定，拉條按構(gòu)造布置，可布置在檁條截面的中心。在恒載與風(fēng)吸力的工況下，若風(fēng)荷載起控制作用，檁條下翼緣受壓，不設(shè)內(nèi)襯板時，應(yīng)驗算檁條在該工況下的整體穩(wěn)定，ly取檁條跨度，當(dāng)風(fēng)荷載較大時，應(yīng)在檁條下翼緣附近設(shè)置拉條，ly取拉條間距。豎向荷載與風(fēng)吸力均較大時，可采用雙層拉條體系。