浅谈轻钢结构厂房的檩条设计

浅谈轻钢结构厂房的檩条设计

王健

王健

江苏绿源工程设计研究有限公司

摘要:轻型钢结构厂房开始得到应用。其中以门式刚架为代表的轻钢结构应用最为广泛，这种结构主要由主刚架体系、檩条和支撑体系、围护体系三大体系构成。在这三大体系中屋面檩条体系、围护体系都要大量使用檩条，用钢量占到工程总用钢量30~40%，所以檩条设计的合理，可以有效的降低工程造价，节约成本。

关键词:檩条设计；钢结构厂房

一、选型

檩条和墙梁主要选用Z型或C型冷弯薄壁型钢，一般情况下除兼作窗框门框因建筑需要采用C型墙梁外，其余情况宜优先考虑采用Z型构件，将此两种型式构件作比较可得出如下结论:C型构件的剪心与形心有偏心,而Z型构件的剪心与形心重合。因此在重力荷载作用下Z型构件的倾覆力矩要大于C型构件;这两种规格檁条在用钢量一样的情况下，绕平行于屋面的轴，Z型檩条截面特性略大于C型檁条；绕垂直于屋面的轴，在不利一侧Z型檩条截面特性也略大于C型檁条。而檩条是按平行于屋面和垂直于屋面进行验算，因而Z型檩条受力性能稍好一些。对于Z型檩条θ在20°左右时，绕x-x轴、y-y轴的截面特性与绕x1-x1轴、y1-y1轴的截面特性比较接近，所以Z型檩条适用于屋面坡度比较大的情况。在屋面坡度较小时，C型檁条自重产生偏心较小，在屋面坡度较大时，Z型檁条自重产生偏心较小。

二、侧向支撑的设置

1、屋面板的支撑作用

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、拉条作用

作为檩条侧向支承点,增加檩条的整体稳定性;有利于减少檩条在平行于屋面坡度的跨度,降低檩条侧向弯矩。

3、拉条布置及做法

檩条跨度大于4m时,应在檩条间跨中位置设置拉条。檩条跨度大于6m时,应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。在屋脊处可利用两边对称重力平衡不设斜拉条。屋面不对称或有天窗时，在屋脊处或天窗侧应设置斜拉条和撑杆；在檐口应设斜拉条以抵抗风吸力作用下的反向弯矩。拉条可采用圆钢或冷弯薄壁角型钢、槽型钢。

三、连续檩条设计

将檩条设计成Z型嵌套式搭接构成连续梁模式，比简支梁檩条刚度大（挠度小），内力小，可大大节省用钢量。因此连续檩条适用于屋面荷载较大、跨度较大的情况。为了便于嵌套搭接设计成上下翼缘不等宽，为使嵌套搭接具有连续梁效果，其搭接区长度不宜小于跨度的10%。由于嵌套搭接存在有较大间隙，在支座处约有10%的弯矩释放，此释放量将加到在跨中去。

四、钢结构厂房屋面檩条

简支檩条计算：通常选用C型檩条，开口朝向屋脊方向。如屋面为单层或双层彩钢板夹玻璃丝棉的维护材料，恒荷载通常取0.15~0.2KN/㎡。其它材料跟据实际重量核算。活荷载取荷载规范规定的屋面活荷载与当地雪荷载的较大值。积灰荷载与施工荷载根据实际情况确定。如果屋面板采用自攻螺钉与檩条固定，保证屋面板与檩条可靠连接，能阻止檩条上翼缘侧向位移和扭转，此时只需计算檩条强度，但这种板型因温度变形能力和防水能力较差，现在较少采用。目前采用较多的是暗扣式板型，这种连接方式在温度变化较大时屋面板能产生滑动，不宜将它假定为能阻止檩条上翼缘侧向位移和扭转，除了计算檩条强度，还需计算其稳定性。

屋面檩条计算和拉条的设置有关。根据门规，当檩条跨度大于4m时，宜在檩条间跨中设置拉条；跨度大于6m时宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条，在屋脊处还应设置斜拉条及撑杆。在恒载、活载及风压力作用下，檩条上翼缘受压，拉条应设置在檩条上翼缘1/3处。在风吸力作用下使檩条下翼缘受压，拉条不能保证檩条下翼缘的侧向位移和扭转，如果计算时要考虑拉条能约束檩条下翼缘，此时应在檩条下翼缘1/3处同样设置拉条，所以檩条设计最好用双层拉条。

五、连续檩条计算

通常选用Z型檩条，开口朝向檐口方向。由于Z型檩条可用搭接形式，故可把这样的檩条假定成连续构件。

(1)采用Z型搭接连续檩条比简支檩条内力分布均匀,刚度大,可节省用钢量。

(2)搭接连续檩条在支座处搭接区存在嵌套松弛现象,其刚度小于等截面连续单檩的刚度,因此在支座处有一定弯矩释放,在跨中弯矩有一定的增大。

(3)连续檩条整体稳定计算目前尚不完善,其整体稳定可利用屋面蒙皮作用和拉条支撑系统解决。

(4)连续檩条支座处的弯矩大于跨中弯矩,搭接区承载能力按两檩条的抗弯模量之和考虑是合理的,可以大大节省用钢量。

(5)连续檩条的搭接长度不宜小于跨长的10%,搭接长度按端跨和中间跨的弯矩分布情况分别考虑,以搭接端弯矩不大于跨中弯矩为条件来确定搭接长度可使设计更为经济合理。

(6)用檩条兼作屋面纵向压杆,当单檩不能满足承载力要求,可用双檩条,此方法节省用钢量。

六、墙面檩条

简支墙梁计算：通常选用C型檩条，开口朝向根据实际情况确定。一般墙梁开口朝上，但窗洞口下侧檩条可让檩条开口朝下布置以满足固定窗框的需求。墙梁设计与屋面檩条类似，同样要考虑墙板、拉条的约束作用。不同的是墙板有自承重和非自承重两种，要根据具体情况具体分析。另外。墙梁设计时根据构造条件的不同要考虑双弯矩板的影响。根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》8.3.1条及条文说明，两侧挂墙板的墙梁和一侧挂墙板、另一侧没有可以阻止其扭转变形的拉杆墙梁，可不计双力矩的影响(即可取B=0)，此时可仅进行墙梁的强度计算。

七、拉条的设置

拉条虽小，作用不小。实际上有檩条系的压型钢板轻型变形和扭转，减小檩条的计算长度，保证檩条的侧向稳定作用。拉条一般通过螺栓与檩条连接，拉条与屋面板的共同作用能有效地提高檩条的整体抗扭转度和减少外部荷载引起的扭转效应。虽然在檩条下翼缘附近有无拉条对檩条的抗弯承载力有很大影响，但当拉条强度满足后，拉条的刚度对抗弯和压弯承载力的影响可忽略。所以门规推荐拉条的最小直径取10mm，去除车丝对截面的削弱及锈蚀等因素外是可行的，但应注意：每一个坡面上的檩条是一个大的串联系统，因此檩条的受力是不均匀的，恒活载作用下离屋脊处越近的拉条内力越大，而在风吸力作用下正好相反。在檩条的设计中应考虑多根檩条由拉条串联后的内力叠加。当房屋坡度方向较大应间隔一定数量的拉条设置一对斜拉条，以分段传递内力。因拉条只能受拉，但拉条作为檩条的侧向支撑点时，同时受拉和受压，因此在檐口和屋脊应布置斜拉条和撑杆，以形成几何不变体系。撑杆按压杆设计，不宜用圆钢。

结束语：

综上所述，我国的建筑工程建设事业也在快速的发展着，同时由于近些年我国彩色刚的产量的增加，轻型钢逐渐在建筑工程中的应用越来越普遍，已经成为现代大跨度厂房的首选了。轻型钢门式钢架结构在建筑结构设计中是普遍存在的，因为这种结构设计具有很强的优势，是其他一些建筑结构设计所无法比拟的。但是这种钢结构设计在某些地区目前还不是很成熟，在建筑工程中的应用不是很好。因此，为了更大范围的发挥这种结构设计的优势，确保这种钢结构设计的质量，我们就需要对该种钢结构设计进行分析，克服在轻型钢门式结构设计中存在的问题，掌握其设计技术，使轻型钢门式结构设计得到更大的发展。

参考文献：

[1]白洪源;余洋关于轻钢厂房结构设计的几处解惑工程建设与设计2011-08-20期刊

[2]贺剑门式刚架轻钢结构厂房的鉴定与加固方法研究同济大学2008-03-01硕士

[3]邹剑强;付桂宏;徐克利设有100/20t吊车的重型钢结构厂房结构设计建筑结构2006-06-15期刊