浅析房屋门式刚架结构设计

浅析房屋门式刚架结构设计
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摘要：在应用广泛的门式刚架轻型房屋结构设计中,最为困难的是对檩条的设计计算。

困难来自于两方面:首先,在设计规范或规程中无简单实用的计算公式供设计人员采用;其次,为节省钢材,轻钢结构中的檩条除用于承担梁的功能外往往兼作支撑体系中的压杆,同时还通过隅撑对门式刚架的梁和柱提供侧向支承。

如果考虑门式刚架轻钢房屋中的蒙皮效应,则檩条的构造和受力计算更为复杂。

檩条通常由薄钢板冷弯成型,计算中还需考虑屈曲后的有效截面等问题,因此,精确计算檩条的承载能力非常困难。

关键词：房屋设计门式刚架檩条
1 门式刚架结构的特点
下面讲一下我们常见的门式刚架结构。

门式刚架轻型房屋，其结构一般由主骨架和支撑系统构成，主骨架包括：1）主受力构件－门式刚架；2）墙架；3）檩条等；支撑系统包括：1）刚架柱之间的垂直支承；2）刚架梁之间的水平支撑；3）刚性系杆、拉条；4）隅撑等；
从以上的构成可以看出，支撑系统占有很大的比例，这也是轻钢结构的特点。

门式刚架房屋上作用的荷载一般有：竖向荷载（结构自重，雪荷载，积灰荷载，）和水平荷载（风荷载，吊车刹车力）,还有地震荷载（水平和竖向）。

由于轻钢结构自重较轻，所以对地震的反应也较轻，这一点对抗震非常有利。

2 门式刚架各构件的作用
门式刚架，建筑物上的各种荷载主要由它承担并将其传给基础，刚架与基础的连接有刚接和铰接两种形式，一般宜采用铰接，当水平荷载较大，房屋高度较高或刚度要求较高时，也可采用刚接。

刚架柱与斜梁为刚接。

刚架的特点是平面内刚度较大而平面外刚度很小，这就决定了它在水平荷载作用时，可承担平行与刚架平面的荷载，而对于垂直刚架平面的荷载却无能为力。

墙架，主要承担墙体自重和作用于墙上的水平荷载（风荷载），并将其间接传给主体结构。

檩条，承担屋面荷载，并将其传给刚架。

檩条还通过螺栓与每榀刚架连接起来，与墙架梁一起与刚架形成空间结构。

由于檩条和墙架梁之间都是由螺栓连接的，连接点近似于铰接，又由于檩条和墙架梁的长细比都较大，在平行于房屋纵向荷载的作用下，其传力刚度有限，所以有必要在屋面的各刚架之间设置一定数量的刚性系杆。

我们刚才说了，刚架平面外的刚度很小，这样，我们必须设置刚架柱之间的柱间支撑和刚架梁之间的水平支撑，使其形成具有足够刚度的结构；
由于檩条和墙架的平面外刚度小，所以，有必要设置拉条（增加支撑），以减小在这个方向的长细比；
对于刚架斜梁，一般是上翼缘受压，下翼缘受拉，上弦由于檩条相连，一般不会出现失稳，但当屋面风荷载吸力作用时斜梁下翼缘有可能变号受压从而失稳，因此，设置隅撑就十分必要了。

另外门式刚架与基础是通过地脚螺栓连接的，当水平荷载作用形成的剪力较大时螺栓就要承担这些剪力，我们一般不希望螺栓来承担这部分剪力，在设计时我们也没考虑它的作用，而是设置刚架柱脚与基础之间的剪力键来承担这部分剪力。

3 判断结构是否适合用轻钢结构
是否为轻钢，可以根据结构承受荷载的大小，以及结构类型来定的。

1、楼、屋面结构体系：如果是钢筋混凝土楼、屋面板，荷载较大就不能用轻钢结构；2、吊车荷载：如果有较大吨位的吊车就不符合轻钢结构的要求；3、结构体系：要是建筑物为多层，或是比较高的单层结构也不宜按轻钢设计。

4 Z 型连续搭接檩条的内力计算和挠度
在连续檩条内力计算中,荷载分布情况对内力计算值影响很大。

自重(恒载) 总是均匀满布的,雪载与风荷载也应近似为均匀满布。

对于活荷载,其最不利分布为任意隔跨加载,与均匀满布所产生的内力差别很大,前者大于后者。

按无限跨考察一下活荷载在最不利任意隔跨分布和均匀满布两种情况: 在跨中处,前者比后者弯矩大98 % ,在支座处大37 %。

可见活荷载的分布规定对连续檩条的计算影响很大。

美国MBMA86 规程、中国规范等都有条文规定活荷载按其最不利分布考虑,加拿大钢结构设计手册在规定檩条计算时,活载的一半按最不利隔跨分布,另一半按均匀满布,如此一来,减小了最不利分布作用的计算值,上述的活荷载作用下跨中弯矩偏差由98 %减至49 % ,支座处弯矩偏差由37 %减至18 %。

在美国MBMA和AISI 的计算例题中,在计算檩条内力时,活载仍按满布计算。

看来加拿大钢结构设计手册的规定较为合理。

Z 型连续檩条通常做成上下翼缘不等宽,便于施工安装时嵌套连接,一般国内企业设计檩条的搭接长度通常统一取为跨度的10%。

这个搭接长度可满足构成连续檩条的基本条件,在进行计算内力时,通常按多跨等截面连续梁计算,极限承载力由支座处的最大弯矩控制。

根据杭萧钢构股份有限公司委托浙江大学所作的研究报告:由于嵌套区存在一定程度的缝隙以及檩条之间的连接孔打的是椭圆孔,在支座搭接区有一定程度的搭接嵌套松动导致弯矩释放,因此,Z型连续嵌套搭接檩条达不到等截面连续梁的效果。

这样支座处的弯矩小于等截面连续梁的弯矩值,而跨中弯矩则大于等截面连续梁的弯矩值。

同样,檩条的实际挠度也大于等截面连续梁的理论计算挠度,根据试验情况,综合考虑实际工程中的蒙皮构造,支座处的弯矩释放以10 %为宜。

根据美国冷弯薄壁型钢设计手册AISI ,在计算
Z 型搭接连续檩条时,支座处的搭接区按双檩条刚度考虑,因此在支座处的弯矩值稍大于等截面连续梁的弯矩,在跨中弯矩稍小于等截面连续梁的弯矩,AISI没有考虑檩条嵌套搭接的松动情况,看来与实际工程有偏差,对于跨中弯矩控制设计的情况将偏于不安全,同时,对于挠度的计算值也将比实际情况要小。

综上所述，对于Z 型连续檩条的内力计算，可按如下一种简单通用的模式考虑：按等截面连续梁计算模式,考虑活荷载按不利分布作用,具体计算时,可以按50%活载均匀满布得到一个效应值S1 ,再用50%活荷载按最不利隔跨分布得到一个效应S2 ,两者相加即为最不利活荷载所产生的效应S。

另外再考虑在支座处因搭接嵌套松动所产生的弯矩释放10 %。

5 关于檩条的稳定计算问题
檩条的稳定问题是由受压翼缘的弯扭引起的。

当仅是檩条上翼缘受压时,由于屋面板固定在檩条上,形成对檩条的侧向支承作用,此时檩条不用考虑其弯扭失稳问题,当檩条下翼缘受压,无面板作侧向支撑时,需要计算檩条的稳定,其计算模式是否合理,关键在于如何模拟屋面蒙皮作用和拉条的侧向支承作用。

国内现行冷弯薄壁型钢结构技术规范考虑了拉条侧向支承作用,但不考虑屋面蒙皮作用。

门式刚架轻型房屋钢结构技术规程在计算风吸力作用下檩条稳定时引用欧洲规范,着重考虑屋面蒙皮对檩条的侧向弯扭约束刚度,但稳定计算公式中不考虑拉条侧向支承作用(仅计算檩条侧向弯矩时,考虑拉条作为支承点,计算稳定系数时,与拉条无关) ,美国和澳大利亚规范既考虑蒙皮作用,又考虑拉条侧向支承作用。

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,更重要的是与屋面板一道形成对下
翼缘的弯扭约束,从而大大提高了下翼缘受压时的稳定承载力,对此有专门的论述。

综上所述,目前国内规范关于檩条稳定计算,特别是风吸力作用下的稳定计算,远不能满足工程的需要。

此外,对于连续檩条无相应的计算公式,美国和澳大利亚设计规范给出的计算公式比较简单实用。

美国AISI的计算规定是:支座处到搭接端部为上、下翼缘均有约束,不必考虑稳定问题,搭接端部到反弯点为悬臂梁计算模式,如无侧向拉条,在风吸力作用下则跨中反弯点之间距离作为下翼缘自由长度参与计算。

檩条稳定总是与拉条系统及屋面蒙皮的作用密切相关,而屋面蒙皮作用及拉条作用又总是与具体材料、板型构造、连接构造有关,随便套用计算公式是不妥的。

6 结语
(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。

(4) 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。

(5) 连续檩条与屋面梁的连接应采用加檩托板螺栓连接方式以防檩条局部腹板压屈和整体倾覆。

当檩条腹板高厚比较大时尚应加设厚垫片以改进其支座处的承载力。

(6) 一般情况下,设计带隅撑的檩条时,隅撑对檩条的有利作用与不利影响可考虑相互抵消,忽略不计,以简化设计。

参考文献
[1]付占明;关于门式刚架斜梁平面外计算长度的探讨[J];钢结构;2010年01期
[2]聂卫岗;;门式刚架的优化设计[J];中国高新技术企业;2010年04期。