连续檩条的简化设计方法探讨

拉条的作用很容易理解，但拉条的传力方 式则往往被忽略，拉条的力一般需要传至刚架 上， 这点我们在设计中还是比较清楚的， 如在
图２
屋脊、窗洞口处设置斜拉条等， 但对于檩条 与拉条的连接位置， 怎么拉最合理， 研究的 少。屋面檩条在外力作用下， （ 如施工中， 工 人的自重）将产生扭矩，Ｍ＝Ｑｅ（Ｑ：工人自重，ｅ： 偏心距） 。
以上都是从构造上定性分析拉条的作用， 那么拉条在内力计算中是如何作用呢？我们 用有限元来进行定量分析，拉条对檩条的侧向 支撑，实际上是弹性支撑，运用 Ｓａｐ ２０００Ｎ 通 用计算程序，利用板单元 Ｍｅｓｈ ｓｈａｌｌｓ 进行有 限元分析计算， 将拉条设成弹性支座， 分别计 算拉条设置在中部，上部 １／３，下部 １／３，上下 １／３ 处均设及无拉条时，在外载作用下，位移 的变化， 定量分析拉条的作用。因单纯就拉 条设置分析， 在此仅取一跨计算分析。
术文献出版社． ［４］ 陈绍著．钢结构稳定设计的新进展．建筑钢
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及设计方法研究．轻钢结构，２００２［Ａ］ＶＯＡ． １７．Ｎｏ６０． ［７］ 丁芸孙．门式刚架中一些技术问题的探讨． 建筑结构，２００１，３１，１８． ［８］ ＡＩＳＩ：Ｃｏｌｄ－ｆｏｒｍｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｄｅｓ计算增大的应力应同时考虑（示嵌套的 长度不同而不同），所以在工程实际中，按截面 计算连续檩条的内力（当嵌套＜１０％ 时），则嵌 套松弛系宜取；边跨支座 １％，中间跨支座 ５％。
图 ４
图 ３
例题分不同的工况计算，从（表 ２）计算结 果看，考虑连续檩条嵌套支座弯矩要比按等截 面计算大 ６．４５％～１６．１２％（边跨）３．３％～１３％ （中跨）若按等截面计算内力且考虑嵌套的松弛 按 １ ０ ％ ， 用折减后的内力进行强度、稳定计 算， 偏于不安全。本文认为嵌套松弛应力与
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图５
是比较合理的。
计算强度和稳定， 再考虑檩条搭接的松弛 １ ０ ％ 。这种方法存在一个问题， 那就是搭接区 刚度增大，内力将重分布，支座即搭接区承担的 内力要比按等截面计算的结果大。为此本文举 一六跨连续梁承受均匀荷载 １．２ 恒 ＋１．４ 活模 式为例，定量分析其内力分布。（跨度 Ｌ＝６ｍ，截 面：Ｚ２００ × ７０ × ２０ × ２．０，跨度 ＝１．５ 米 ｑ 活 ＝ ０．５ｋＮ／ｍ２，ｑ 恒 ＝０．０７ｋＮ／ｍ２）。
本文利用 Ｐ Ｋ Ｐ Ｍ 杆系计算程序及 Ｓ ａ ｐ － ２０００Ｎ 应用程序对连续檩条计算模式，进行了 定性定量分析， 提出了简化的设计方法， 供工 程设计人员参考， 大家共同探讨， 不断完善设 计。
参考文献
［１］ 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程．ＥＣＥＳ１０２． ２００２．
［２］ 冷弯薄壁型钢结构技术规范． ［３］ 陈骥．钢结构稳定理论与应用．北京科学技
１ 构造保证
我国现行规范无连续檩条整体稳定计算 方法， 那么从构造上保证檩条整体稳定。使 檩条的破坏形态由整体失稳屈曲变为跨中局 部畸变屈曲。再用试验的方法或有限元的方 法得出檩条的极限承载力，这可以说是一个比 较有效的途径。
檩条的稳定问题是由上或下受压翼缘的 弯扭引起的，当仅为檩条上翼缘受压时由于屋 面板固定在檩条上， 能阻止檩条的侧向位移， 此时可以不考虑其弯矩失稳问题。但当檩条 下翼缘受压时， 屋面为单层板时， 则不能阻止 下翼缘的失稳，这时拉条的合理设置及如何考 虑屋面的蒙皮效应是关键。实际上拉条的作 用很大，拉条不单使侧向水平分量所产生的侧 向弯矩降低，要重要的是与屋面板一起形成了 对下翼缘的变扭约束，从而提高了下翼缘受压 时的稳定承载力。
从表 １ 计算结果看，不设置拉条显然位移 过大，首先是整体失稳，拉条在上部 １／３ 处设 与在中部设置拉条相比， Ｙ 方向位移减少了 ４１．４％。Ｚ 方向位移减少了 ３９．９％。而在上部 １／３ 设拉条与下部 １／３ 设拉条，在 Ｙ 方向减少 ４７％，这就说明在竖向力作用下在上部 １／３ 设 拉条是有利的，而在风吸力作用下，在下部 １／ ３处设拉条是有利的，所以本文建议，应在上部 １／３ 处及下部 １／３ 同时设拉条，能有效保证檩 条的整体稳定。
２ 檩条搭接区域截面刚度的影响
从构造上保证其整体稳定，我们再进行内 力分析，以往的内力分析采用的方法是支座上 搭接的连续梁分析模式，计算时在搭接区采用 单个截面的抗弯刚度，但利用双倍的截面模量
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科技资讯 ２００７ ＮＯ．２４ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 表 １ 檩条设置与位移（ｍ）
从不同的嵌套长度看，５％Ｌ 嵌套长度就可 以接近于等截面连续梁的效果，但搭接连接的 承载力不够。若不考虑檩条嵌套握裹效果，檩 条搭接的抗弯能力为 Ｍ＝２Ｎｖ（ｌ１＋ｌ２），若檩条 为 Ｚ２００ × ７０ × ２０ × ２，Ｍ１２ 普通螺栓连接， 允许抗剪能力 Ｎｖ＝１０．０８ｋＮ（由檩条孔壁承压 强度控制），搭接长度ｌ１＋ｌ２＝１０％Ｌ（Ｌ：跨长），从 本例看 Ｌ＝６ｍ，则为 ０．３＋０．３＝０．６，所以 Ｍ＝２ × １ ０ ． ０ ８ × ０ ． ６ ＝ １ ２ ． １ ｋ Ｎ ·ｍ 。这个值接近 单檩条的弹性极限抗弯能力，所以说搭接长度 降到 ５％Ｌ，其承载力很有可能不够，而搭接长 度增加至 ２０％ 跨长，支座弯矩增大过多，反而 不经济。所以我们一般认为搭接 １ ０ ％ 跨长，
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弹塑性法是一种半经验的方法，主要是基 于塑性理论，通过相关经验数据或计算机模拟 来求得 薄壁构件的各种耦合屈曲问题，对于 一些特殊问题，弹塑性法较直接强度法和有效 宽度法要准确有效，然而弹塑性方法目前只是 初步探索阶段，它的应用还有待于大量的深入 研究和论证。怎样选择一种有效、实用的方 法，适合具体的工程设计呢？我们将从以下几 方面讨论。
关键词：有限元分析 连续檩条 内力分析 简化设计
中图分类号： Ｕ ４ １ ６
文献标识码： Ａ
文章编号：１６７２－３７９１（２００７）０８（ｃ）－０１７５－０２
按传统的方法， 檩条多按简支布置， 虽然 连续布置檩条的方案是经济的， （ 可节约钢材 １９％～２３％）。但关于连续檩条的稳定计算，目 前国内尚无规范可依。许多钢构厂从自身经 济利益出发， 经常要求我们修改方案， 将简支 改为连续布置檩条方案，而钢构厂从业人员的 素质良莠不齐， 拿出的计算结果也不完善， 造 成设计院与钢构厂之间相互扯皮，占用了设计 人员相当一部分精力。
ｆｙ：为板的屈服强度； ｆｃｒ：为单向均匀受压板的弹性屈曲分岔应 力； λ： 为中面板的长细比。 有效宽度法能够较为准确方便地设计截 面形式比较简单的檩条，然而随着檩条截面形 式的不断优化，确定带褶皱板件有效宽度的过 程变得非常繁琐甚至难以实现。 直接强度法，实际上是利用有效应力代替
了有效宽度法中的有效宽度，它是直接确定薄 壁构件屈曲临界力的方法。直接强度法对于 解决梁的局部屈曲，畸变屈曲以及它们的耦合 屈曲等问题较为有效。相对于有效宽度法，直 接强度法能比较方便的求解具有复杂截面形 式的薄壁构件。但是目前直接强度的应用仅 限于构件截面形心无变化的特殊情况， 而且， 在某些情况下，直接强度法的精度较有效宽度 法低。
我们就几种拉条的布置方式加以讨论。 图 ２（ａ）中拉条设在檩条中部。拉力的力臂为 零， 对扭转无抵抗作用， 一般我们认为正确的 位置应在檩条上端 １／３ 高度处，如图 ２（ｂ）在竖 向力作用下拉条可提供较大的抗扭约束。但 在风吸力作用下是不利的。还有一种拉条设 置如图 ２（ｃ），这虽然兼顾了上下设拉条，但这 种作法有一个问题， 须注意， 拉条对檩条产生 的顺时针力矩， 与屋面自重产生的扭矩同向， 而与风吸力产生的扭矩反向， 在屋面安装时， 由于屋面板还未安装，不能阻檩条在自重和施 工荷载作用下的失稳。这种做法就很不利，若 在使用阶段， 屋面不能阻止檩条失稳， 则拉条 的附加扭矩对檩条也是不利的。当然在风吸 力作用下拉条的扭矩与风荷载扭矩相抵消，则 对檩条是有利的。另一种做法是与图２（ｃ）相反 如图 ２（ｄ），则在施工中有利，在风吸力作用下 不利，将图 ２（ｃ）、图 ２（ｄ）结合起来，则可有效 防止檩条失稳。如图 ２（ｅ）。考虑到施工方便， 以也可采用图２（ｆ），（海南三期涂装就是采取此 种形式）。
笔者这些年做了许多钢结构厂房，积累了 一些经验， 同时也查阅了大量资料， 有国内及 国外的相关规范， 在这方面做了一些工作， 就 连续檩条计算模式与大家一起探讨。
首先从变形入手。我们知道在各种荷载 作用下， 薄壁型钢梁及檩条， 主要发生三种屈 曲， 即局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲。局 部屈曲是轻钢结构中梁或檩条发生的最普遍 的一种失稳模式， 主要特征是翼缘、卷边和 腹板在相互关联的条件下同时屈曲、各板件 交接的棱线保持原来的直线。畸变屈曲是指 纵向荷载产生弯矩使得上翼缘对自身弱轴屈 曲的同时形成对自身强轴的屈曲，各板件交接 的棱线不再保持原来的直线，整个梁或檩条产 生侧向弯曲和扭转屈曲。整体屈曲是指构件 作为整体发生倾覆。
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科技资讯 ２００７ ＮＯ．２４
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连续檩条的简化设计方法探讨
周蓉 夏风 （ 机械工业第四设计院）
摘 要：随着我院大踏步进入汽车行业的设计与施工，近年来，我们设计了大批钢结构厂房，尤其是轻钢结构。在轻钢结构中屋面与墙面
的檩条是重要的结构构件， 现在设计是要求高质量、低成本， 在保证质量的前提下， 讲经济效益。
表 ２ 连续檩条不同嵌套长度内力表 （ｋＮ·ｍ ）
３ 结语
目前从连续檩条应力分析的研究文章看， 理论分析居多， 如能量法、等效宽度法等， 但 应用到工程实际中还有一定的距离，在理论体 系不是很完善的情况下。本文提供了一种有 效的设计方法。在海南三期涂装车间的檩条 设计中，最终就是采用两道拉条（檩条上下１／３ 处），且在 ８ 米跨度设两处拉条，从构造上保证 整体稳定，用现有的计算理论计算内力进行设 计。达到了很好的经济效益（美国 ＡＩＳＩ 建议拉 条间距 １ ． ５ ～２ ｍ ） 。