9 檩条与墙梁设计
9.1 实腹式檩条设计
9.1.2 部分钢结构手册Z形檩条斜卷边角度按45°,偏小,对翼缘的约束不利。在浙江大学等单位所做的连续檩条受力试验中,可观察到斜卷边为45°时的檩条嵌套搭接端头有明显的展平趋势。按有限元理论分析,卷边对翼缘的约束与卷边角度的sin2θ成正比,故建议斜卷边角度60°为宜。
9.1.3 计算嵌套搭接方式组成的连续檩条的挠度和内力时,需考虑嵌套搭接松动的影响。浙江大学和杭萧钢构所做的嵌套搭接连续檩条的试验情况是:斜卷边角度为60°,嵌套搭接的内檩条翼缘宽度小于外檩条宽度5mm,嵌套搭接长度为檩条跨度的10%(单边为5%)。试验结果表明,为考虑嵌套搭接的松动影响,计算挠度时,双檩条搭接段可按0.5倍的单檩条刚度拟合;计算内力时,可按均匀连续单檩条计算,但支座处要释放10%的弯矩转移到跨中。钢构企业需根据各自的技术标准,由试验确定檩条因嵌套搭接松动引起的刚度变化。
檩条采用多跨静定梁模式,挠度小、内力小,当跨度较大时,有较好的经济性。如以连续梁模式的反弯点作为多跨静定梁的分段节点,跨中檩条长度约为0.7L,考虑到安装施工的方便,建议跨中檩条长度宜为0.8L,檩条的稳定性按节点间檩条或反弯点之间檩条为简支梁模式计算,要求檩条端头节点处应有抗扭转能力,宜用槽钢、角钢或冷弯薄壁型钢在两面夹住檩条的腹板,连接点的两侧各布置不少于两个竖向排列的螺栓。
9.1.4 建议卷边的宽厚比(过去习惯称卷边高厚比,对于斜卷边容易引起混乱,故统一改称宽厚比)不宜大于13,根据如下:
式中:a——卷边宽度(mm);
b——翼缘宽度(mm)。
常规的檩条规格按照式(1)可得到表1的数值,值得注意的是:当翼缘宽度大于80mm时,所需檩条壁厚超过本规范基本设计规定的最小用材厚度1.5mm。按本条规定檩条设计符合经济合理性。
表1 檩条合适的卷边宽度和最小用材厚度(mm)
注:tmin为按本规范第3.4节的构造要求及本条规定得到的最小板件厚度。
9.1.5 本条对CECS102:2002规程作了较大修改,说明如下:
1 轻钢结构的屋面坡度通常不大于1/10,且屋面板的蒙皮效应对于檩条有显著的侧向支撑效果,故仅需依据腹板平面内计算其几何特性、荷载、内力等,无需计算垂直于腹板的荷载分量作用,无需对Z形檩条按主惯性矩计算应力和挠度,可大大简化计算。澳大利亚G.J.Hancock教授来华所做的研究报告称:“气囊试验表明,檩条在风吸力作用下的变形仅发生在腹板平面内”,支持上述的计算方法;另一方面,主惯性矩虽然比垂直于腹板的惯性矩大,但主轴的截面高度也比腹板平面内的截面高度大,因此这两者计算的抗弯模量相差并不大,按主轴计算的抗弯模量稍小,而风荷载(风荷载垂直于翼缘)作用弯矩按主轴计算也稍小,显然,按腹板平面内计算其几何特性、荷载、内力等是方便的、合理的。对于屋面坡度大于1/10且屋面板蒙皮效应较小者,宜考虑计算侧向荷载作用。
2 国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018-2002的翼缘屈曲系数是0.98,考虑板组效应后约为1.3(板组效应系数大于1.0),过于保守,根据陈绍蕃教授的“卷边槽钢的局部相关屈曲和畸变屈曲”(2002年第23卷第1期《建筑结构学报》)、浙江大学吴金秋的硕士论文“斜卷边檩条的弹性屈曲分析”及美国AISI设计指南的计算公式,宜取翼缘的屈曲系数为3.0,经过国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018-2002规定的板组效应(翼缘板组效应系数稍小于1.0)方法修正后,屈曲系数可能会稍有减小,但仍远大于1.3。当翼缘的板组效应系数大于1.0,则说明腹板屈曲能力大于翼缘屈曲能力,腹板设计高度不足,意味在相同用钢量前提下,有效截面几何特性可随腹板高度的增加而增加,构件的承载能力可随之提高;反之,则说明腹板屈曲能力小于翼缘屈曲能力,其设计高度已用足,再仅仅提高截面高度效果不好。
对于嵌套搭接构成的连续檩条,在嵌套搭接段内,具有双檩条强度。根据浙江大学和杭萧钢构所做的试验研究,5根在支座处破坏的双檩条强度承载能力平均值为理论计算值的93.8%,故其承载能力需要0.9系数予以折减,本条采用几何特性值折减为0.9的办法。
3 当有内衬板固定在受压下翼缘时,相当于有密集的小拉条在侧向约束下翼缘,故无需考虑其整体稳定性。
9.1.6 檩托焊在屋面梁上使运输不方便,较容易碰坏,当檩条高厚比不超过200时,可考虑取消檩托,直接在檩条的下翼缘冲孔用螺栓连接,此时檩条由腹板承压传力,需验算腹板的承压屈曲能力(即Web Crippling),本条直接引用《North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members》2001年版本的计算公式,该计算公式由试验研究得出。
9.1.9 吊挂集中荷载直接作用在檩条的翼缘上有较大的偏心扭矩,檩条易产生畸性变形,故集中荷载宜通过螺栓或自攻钉直接作用在檩条的腹板上传力。镀锌的冷弯薄壁型钢构件,不适合采用焊接施工方式:一是高空焊接质量难以控制;二是焊点防锈困难,故建议采用螺栓或自攻钉连接。
9.1.10 采用连续檩条有很好的经济效益,根据浙江大学和同济大学所做的连续檩条力学试验,连续檩条的刚度随嵌套搭接长度的增加而增加。当嵌套搭接长度趋近10%的檩条跨度时,再增加搭接长度对檩条刚度影响很小;另一方面,嵌套搭接长度取10%(单边为5%)的跨度可满足搭接端头的弯矩值不大于跨中弯矩,由此,跨中截面成为构件验算的控制截面,故规定连续檩条的搭接长度2a宜不小于10%的檩条跨度,但需注意,对于端跨的檩条,为满足搭接端头的弯矩不大于跨中弯矩,需要加大搭接长度50%。
檩条之间的拉条和撑杆应设置在檩条的受压部位,由于恒载和活载组合下檩条上部受压,恒载和风载组合下檩条下部受压,需同时考虑这两种工况,故应采用双层拉条体系,当檩条下翼缘连接有内衬板时,该内衬板可代替下层拉条体系的作用,可仅设上层拉条体系;如拉条采用两端分别靠近上、下翼缘的连接方式(图9.1.10-3(a)),则要求屋面板能约束檩条上翼缘的侧向位移。