第四章次结构及其连接构造.docx

第四章 次结构及其连接构造檩条、墙檩和檐口檩条构成轻型钢结构建筑的次结构系统。一方面，它们可以支承屋面板和墙面板，将外部荷载传递给主结构；另一方面，它们可以抵抗作用在结构上的部分纵向荷载，比如纵向的风荷载，地震作用等；此外，它们也作为主结构的受压翼缘支撑而成为结构纵向支撑体系的一部分。檩条是构成屋面水平支撑系统的主要部分；墙檩则是墙面支撑系统中的重要构件；檐口檩条位于侧墙和屋面的接口处，对屋面和墙面都起到支撑的作用。图4-1 典型的冷弯薄壁型钢构件除柱距较大的结构需采用热轧工字钢外，轻型门式刚架的檩条，墙檩以及檐口檩条一般都采用带卷边的槽形和Z形（斜卷边或直卷边）截面的冷弯薄壁型钢，如图4-1所示。 第一节 冷弯薄壁型钢的一般特点冷弯薄壁型钢构件用相对较少的材料承受较大的外荷载，不是单纯用增大截面面积，而是通过改变截面形状的方法获得。根据测算，同样截面积的冷弯薄壁型钢与热轧型钢相比，回转半径可增大80%，惯性矩和面积矩可增大50-180%。所以，冷弯薄壁型钢抗压和抗弯性能好，整体刚度大。由于冷弯薄壁型钢在室温下成型，材料将产生冷弯效应。所谓冷弯效应，是指冷加工使材料达到塑性变形，材料结构发生变化，产生应变硬化和应变时效，使截面弯角部分材料强度提高，塑性降低。影响材料冷弯效应的因素有钢材极限强度和屈服强度的比值；弯角半径和板厚的比值；冷加工的成型方式、次数、受力性质等。考虑材料的冷弯效应，一般可以提高设计强度10-15%，但是一般只在构件全截面有效时才在计算中考虑设计强度的提高，否则可以将冷弯效应作为设计中的强度储备。图4-2解释了冷弯效应构件强度提高的原因。A曲线是钢材未冷加工的标准的应力-应变曲线；钢材冷加工超过材料屈服强度达到塑性段，之后沿B直线卸载，这是应变硬化的过程；加载的C曲线沿B直线，直线段高于A曲线的屈服平台，甚至由于应变时效的作用，C-D曲线的屈服平台还高于B直线的卸载点。可以看出冷弯效应提高了钢材的屈服强度，但塑性降低了。DCCBAA应力图4-2 冷弯效应冷弯薄壁型钢构件板件宽而薄，在压应力作用下，截面板件容易产生凸曲变形，发生局部失稳。但是板件在局部失稳后并不立即丧失承载能力，而是仍能承担一定的荷载增量直至构件整体失效，这个过程称为屈曲后强度的利用。可以采用有效宽度法或有效截面法概念利用板件或截面的屈曲后强度。冷弯薄壁型钢由于自由扭转刚度小，而且大多数截面剪心和形心不重合，因此构件中存在弯曲和扭转的共同作用。弯扭屈曲是其常见的破坏形式，必须在设计中加以防止。除了采用更好的截面形式（双轴对称，闭合构件）外，常见的构造措施有增加支座和跨中处的侧向支承，比如端加劲肋，檩托，撑杆等。第二节 有效宽度法的基本概念一、有效宽度的概念设计冷弯薄壁型钢构件允许考虑构件的屈曲后强度，不同边缘支承的板件屈曲应力和屈曲后性能不同,截面内板件的分类一般如下所示（见图4-3）：(1)加劲板件，也称两边支承板件，比如C型、Z型构件的腹板；(2)未加劲板件，即一边支承，一边自由板件，比如无卷边的C型构件的翼缘；(3)部分加劲板件，包括1、 边缘加劲板件和中间加劲板件。边缘加劲板件是指一边支承，一边带卷边的板件，比如，卷边C型、Z型构件的翼缘部分；中间加劲板件是指两边支承且带中间加劲肋的板件，比如许多压型钢板。图4-3 截面板件的分类2、3、 中间加劲板件， 有效宽度得到后还需要定义有效宽度的分布。对于均匀受压板件，有效宽度对称分布在加劲板件的两侧，靠加劲边分布在非加劲板件的一侧，根据卷边加劲刚度按比例分布在边缘加劲板件两侧；对于非均匀受压板件，受拉区全截面有效，受压区根据应力分布按比例分布在板件受压区两边。图4-4给出了分布示意。a) 加劲板件 b)部分加劲板件 c)非加劲板件图4-4 各种类型板件的有效宽度分布二、有效宽度计算现行规范对各类板件的有效宽度定义了一套统一的公式，如下所示： (4-1) (4-2) (4-3)上式中，b 代表板件宽度；t 为板件厚度；be为板件有效宽度；为计算系数，按式（4-4）取值： (4-4)这里， 表示压应力分布不均匀系数， ；max和min分别为受压板件边缘最大压应力和另一边缘的应力，以受压为正受拉为负。式（4-1）（4-3）中，bc 为板件受压区宽度，按下式取用：0，bc=b； 0，bc=b/(1-)； (4-5)式（4-1）（4-3）中的为计算系数， (4-6)上式中，1为板件最大设计应力，根据下述情况取用：（1）轴心受压构件：因为轴心受压构件截面上承受的最大压应力是由压杆整体稳定控制的，所以根据构件毛截面的最大长细比求得的稳定系数，1=f；（2）压弯构件：由内力M、N按毛截面计算的边缘应力，及不均匀系数。令f，计算出f；（3）拉弯构件和受弯构件：由内力M，N按毛截面计算的最大压应力及不均匀系数。（4）板件受拉部分全部有效。式（4-6）中k为单板受压屈曲系数，按以下情况取用：（1）加劲板件： (4-7) (4-8)（2）部分加劲板件1）最大压应力在支承边（图4-5中情况） (4-9)2）最大压应力在加劲边（图4-5中情况） (4-10)（3）非加劲板件1）最大压应力在支承边（图4-5中情况） (4-11) (4-12) (4-13)2）最大压应力在自由边（图4-5中情况） (4-14)当-1时取-1。图4-5 部分加劲板件和非加劲板件的应力分布示意式（4-6）中k1为受压板件的板组约束系数。对于图4-6中的卷边槽钢截面，板件b1和b2若考虑板组相关约束影响，其条件是相邻两板件临界应力必须相等，即。图4-6 板组相互作用令：，其中，1、2分别为板b1、b2的约束系数；kb1,、kb2分别为板b1、b2单板的屈曲系数。于是，。令。根据以上说明，现行规范规定： （4-15） （4-16） (4-17)上式中，c为计算板件相邻的板件宽度；k、kc分别为计算板件及相邻板件为单板时的屈曲系数，对加劲板k11.7；对部分加劲板，k124；对非加劲板k13。有了构件的有效宽度，还必须知道有效宽度的分布，图4-4中的有效宽度分布按以下公式计算。对加劲板件： （4-18） （4-19）对非加劲板件和部分加劲板件： （4-20）第三节 屋面檩条的构造和计算一、 布置和构造轻型门式刚架的檩条构件可以采用C型冷弯卷边槽钢和Z型带斜卷边或直卷边的冷弯薄壁型钢。构件的高度一般为140-250mm，厚度1.4-2.5mm。冷弯薄壁型钢构件一般采用Q235或Q345，大多数檩条表面涂层采用防锈底漆，也有采用镀铝或镀锌的防腐措施。1、檩条间距和跨度的布置檩条的设计首先应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、及檩条供货规格的影响，以确定檩条间距，并根据主刚架的间距确定檩条的跨度。确定最优的檩条跨度和间距是一个复杂的问题。随着跨度的增大，主刚架及檩条的用量势必加大。但主刚架榀数的减少可以降低用钢量，檩条间距的加大也可以减少檩条的用量。厚度更大的檩条也可以降低单位用钢量的价格。但是檩条跨度的加大，支撑用量也相应增多。所有这些因素需要综合考虑。我国这方面内容的研究相对较少，英国对90米长的建筑作过系统的研究，结果显示，对于跨度超过20米的框架，7.5米的框架间距是最优的；对于跨度小于20米的框架，4.5米的框架是最优的。这个结果在我国只能参考使用。附表4-14-12给出了根据3D3S软件计算得到的门式刚架中各种柱距、檩条间距、檩条截面和檩条用钢量的相互关系，可供读者在实际工程设计中参考采用。2、简支檩条和连续檩条的构造檩条构件可以设计为简支构件，也可以设计为连续构件。有关简支檩条和连续檩条的计算及构造比较详见第5节。简支檩条和连续檩条一般通过搭接方式的不同来实现。简支檩条不需要搭接长度，图4-7是Z型檩条的简支搭接方式，其搭接长度很小，对于C型檩条可以分别连接在檩托上。采用连续构件可以承受更大的荷载和变形，因此比较经济。檩条的连续化构造也比较简单，可以通过搭接和拧紧来实现。带斜卷边的Z型檩条可采用叠置搭接，卷边槽型檩条可采用不同型号的卷边槽型冷弯型钢套来搭接，图4-8显示了连续檩条的搭接方法。注意在端跨檩条的搭接与中间跨的搭接稍有不同，主要是因为端跨框架要跟山墙墙架连接。设计成连续构件的檩条搭接长度有一定的要求，连续檩条的工作性能是通过耗费构件的搭接长度来获得的，所以连续檩条一般跨度大于6米，否则并不一定能达到经济的目的。图4-7 檩条布置（中间跨，简支搭接方式）图4-8檩条布置（连续檩条，连续搭接）3、侧向支撑的设置如前所述，外荷载作用下檩条同时产生弯曲和扭转的共同作用。冷弯薄壁型钢本身板件宽厚比大，抗扭刚度不足；荷载通常位于上翼缘的中心，荷载中心线与剪力中心相距较大；因为坡屋面的影响，檩条腹板倾斜，扭转问题将更加突出。所有这些说明，侧向支撑是保证冷弯薄壁型钢檩条稳定性的重要保障。（1）、屋面板的支撑作用首先，可以将屋面视为一大构件，承受平行于屋面方向的荷载（如风、地震作用等），称之为屋面的蒙皮效应。考虑蒙皮效应的屋面板必须具有合适的板型，厚度及连接性能，主要是一些用自攻螺丝连接的屋面板，可以作为檩条的侧向支撑，使檩条的稳定性大大提高。扣合式或咬合式的屋面板不能对檩条提供很好的侧向支撑。（2）、拉条和支撑提高檩条稳定性的重要构造措施是采用拉条或撑杆从檐口一端通长连接到另一端，连接每一根檩条。檩条的侧向支撑不宜太少，根据檩条跨度的不同，可以在檩条中央设一道或者在檩条中央及四等分点处各设一道共三道拉条。一般情况下檩条上翼缘受压，所以拉条设置在檩条上翼缘1/3高的腹板范围内。由于需要考虑檩条在风吸力作用下的翼缘受压，需要把拉条设置在下翼缘附近。考虑到蒙皮效应，可以考虑上翼缘的侧向稳定性由自攻螺丝连接的屋面板提供，而只在下翼缘附近设置拉条；但对于非自攻螺丝连接的屋面板，则需要在檩条上下翼缘附近设置双拉条。对于带卷边的C型截面檩条，因在风吸力作用下自由翼缘将向屋脊变形，因此宜采用角钢截面或方管截面作撑杆。研究表明，风吸力引起侧向无支撑檩条和墙梁内翼缘失稳，是造成檩条和墙梁破坏的主要原因。所以，设置合理的支撑布置形式是非常重要的。采用拉条应在檐口处设置斜拉条，牢固地与檐口檩条在刚架处的节点连接。图4-9(a)给出了一般结构拉条设置的方法。屋脊处的支撑起着将两侧的支撑联系起来的作用，以防止所有檩条向一个方向失稳，所以屋脊连接处多采用比较牢固的连接。图4-9(b)给出了采用槽钢支撑的屋脊连接。（3）檩托在简支檩条的端部或连续檩条的搭接处，考虑设置檩托是比较妥善的防止檩条在支座处倾覆或扭转的方法。檩托常采用角钢，高度达到檩条高度的3/4，且与檩条以螺栓连接。图4-9(c)示意了檩托的设置方法。檩条构件之所以要离开主梁一段距离，主要是防止薄壁型钢构件在支座处的腹板压曲，如图中虚线所示。？图4-9 檩条的支撑(4)、檩条和撑杆的布置拉条和撑杆的布置应根据檩条的跨度、间距、截面形式、和屋面坡度、屋面形式等因素来选择，参考下列建议采用：1）当檩条跨度L4m时,通常可不设拉条或撑杆；当4mL6m时,可仅在檩条跨中设置一道拉条,檐口檩条间应设置撑杆和斜拉条(图4-10a)；当L6m时,宜在檩条跨间三分点处设置两道拉条,檐口檩条间应设置撑杆和斜拉条(图4-10b)；2）屋面有天窗时,宜在天窗两侧檩条间设置撑杆和斜拉条(图4-10c、d)； (a) (b) (c) (d)1-刚架; 2-檩条; 3-拉条; 4-斜拉条; 5-撑杆; 6-承重天沟或墙顶梁;图4-10 檩间拉条（撑杆）布置示意图3） 当檩距较密时(s/l0.2),可根据檩条跨度大小参照图4-11a设置拉条及撑杆,以使斜拉条和檩条的交角不致过小,确保斜拉条拉紧；4） 对称的双坡屋面,可仅在脊檩间设置撑杆(图4-11b),不设斜拉条,但在设计脊檩时应计入一侧所有拉条的竖向分力。 (a) (b)1-刚架; 2-檩条; 3-拉条; 4-斜拉条; 5-撑杆; 6-承重天沟或墙顶梁;图4-11 檩间拉条（撑杆）布置示意图（s/L=1/3），这时屋面荷载作用线与截面主轴方向相当接近,较为经济。图4-26 卷边Z型钢主惯矩示意图下面通过一个算例比较说明卷边Z型钢檩条的摆放角度对檩条受力性能的影响。屋面采用简支檩条，截面为实腹式冷弯斜卷边Z型钢160x60x20x2.5。跨度L=6m，檩距为1.5m，中间设一道拉条。檩条及拉条钢材均为Q235。分别采用两种屋面坡度，第一种坡度为0.1，第二种坡度为0.3。檩条上所承受的荷载为恒载0.3 kN/m，活载0.75 kN/m。考虑一种荷载组合为恒载+活载。1、内力计算檩条对X轴由Qx引起的弯矩，按单跨简支梁计算；对Y轴由Qy引起的弯矩，考虑拉条作为侧向支撑点，按多跨连续梁计算。经计算可知，由荷载组合引起的内力弯矩如图4-27所示。其中L=6m，L1=3m，Q=1.20.3+1.40.75= 1.41kN/m。图4-27 檩条弯矩示意图2、冷弯斜卷边Z型钢160x60x20x2.5檩条的截面特性，单位mmA=748 Ix=3231300， Iy=231400 20Wx1=360100 Wy1=99000 3、截面主轴x、y方向的线荷载分量按下列公式计算： 情况1：屋面坡度为0.1时，即=5.71，=14.29。这时，= 0.35 kN/m，= 1.37 kN/m。对檩条跨中截面进行验算：Mx= 1/8 Qy*L*L，MB= 1/8 Qx*L1*L1檩条跨中截面的内力：Mx= 6.165 kN.m，My= MB= 0.394 kN.m考虑屋面能阻止檩条失稳和扭转，按照公式（4-25）进行强度验算：首先确定有效截面：按照毛截面尺寸确定截面上的应力分布，经计算得到截面上的应力分布如图4-28所示图4-28 檩条有效面积分布示意图（屋面坡度0.1）从图4-28中可以看出，在用毛截面惯矩计算的情况下，截面上的最大应力已经超过了钢材的设计强度：f=205 N/mm2，可知在屋面坡度为0.1的情况下，使用截面为冷弯斜卷边Z 型钢160x60x20x2.5的檩条不能满足强度要求；情况2：屋面坡度为0.3时，即=16.7，=3.3。这时，= 0.081 kN/m，= 1.408 kN/m，对檩条跨中截面进行验算：Mx= 1/8 Qy*L*L， MB= 1/8 Qx*L1*L1檩条跨中截面的内力：Mx= 6.336 kN.m， My= MB= 0.091 kN.mI. 按照毛截面尺寸确定截面上的应力分布，按（公式4-26）计算得到截面上的应力分布如图4-29所示：图4-29 檩条有效面积分布示意图（屋面坡度0.3）II. 确定各个板件上受压部分的有效宽度，l 按公式（4-4）考虑计算系数，计算得：腹板：=139 N/mm2 ，= 139 N/mm2 ，压应力分布不均匀系数= 1.01.1，k1=0.409 小于上限值1.7；l 按式（4-6）考虑计算系数，=3.77。其中上翼缘最大压应力取钢材强度设计值f=205 N/