浅析轻钢结构实腹式檩条间拉条设计

夏一云

(1.四川宏基原创设计有限公司,四川德阳 618000;2.四川建筑职业技术学院,四川德阳 618000)

浅析轻钢结构实腹式檩条间拉条设计

夏一云

(1.四川宏基原创设计有限公司,四川德阳 618000;2.四川建筑职业技术学院,四川德阳 618000)

轻钢结构是今后大型厂房和公共建筑发展的主要方向。目前,通常情况下轻钢结构建筑的柱距在6.0m到9.0m之间时,使用Z型檩条或C型檩条的形式,均能满足建筑要求。但在经济成本更低的情况下,如何提高结构的稳定性还是有很大的操作空间。笔者总结了在同等条件下,拉条的设置形式对结构的受力和经济性的影响。

轻钢结构 檩条 拉条 撑杆

1 轻钢结构的特点

1.1 自重轻

轻钢结构构件多为薄壁型钢，自重很轻，特别是围护系统，压型钢板加保温层等围护系统重量仅为钢筋混凝土结构的8%左右，结构本身负荷少，地震作用小，可以减少地基和基础费用，特别适合旧房加层，几乎不增加荷载。

1.2 力学性能好

强度高，力学性能好，特别适合大跨度结构。从梁高跨比来看，钢筋混凝土结构一般为1：12，钢结构为1：24，差一倍，对轻钢结构就来说差距就更明显了，钢筋混凝土结构要做到30米以上跨度就比较困难，也不经济，而采用轻钢结构就相对简单的多。

1.3 制作和施工周期短,质量易控制

轻钢结构构件工厂加工制作，建筑材料是成品或半成品，现场组装。工厂制作全天候作业，现场施工，施工机械简单机械化程度高，不必支模拆模，构件工厂批量生产，缩短了制作和施工周期。另外，工厂加工精度高，尺寸误差小，现场多为螺栓连接，质量容易控制。

1.4 造价低,综合指标好

轻钢结构能快速发展的一个重要原因就是用材省，成本低，与传统钢筋混凝土结构相比，工效提高1/4～1/3，加上后期围护费用，也比钢筋混凝土结构有经济优势。

1.5 绿色环保

钢材是绿色环保材料，施工中可避免混凝土湿作业造成的环境噪声污染，有害气体排放减少，而且可以拆卸回收再利用，符合节能环保的要求。

轻钢结构围护系统的承重构件一般由C型檩条、Z型檩条承担，檩条设计的合理与否直接影响围护系统的造价。

2 轻钢结构围护系统设计

2.1 屋面檩条设计

常用檩条型号：(1)C型檩条的特点及适用范围：檩条的截面互换性大，应用普遍，用钢量省，制造和安装方便。目前广泛用于檩条跨度不大于6.0m，荷载较小的平坡屋面。(2)Z型檩条的特点及适用范围：檩条的主平面对X轴的刚度大，用作檩条时挠度小，用钢量省，制造和安装方便，斜卷边Z形钢存放时还可又叠层堆放，占地少。当屋面坡度较大时常采用这种檩条，价格和市场保有量不如C型檩条。

表1

表2

2.1.1 设计荷载及设计原则

(1)设计荷载。永久荷载：包括屋面围护材料重量(包括防水层、保温或隔热层等)、支撑(当支撑连于檩条上时)及檩条结构自重。

可变荷载：包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载及风荷载等。

(2)设计原则。屋面檩条计算和拉条的设置有关，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，现在已经较少采用。

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。

设计上要求，实腹式檩条跨度大于4m时，在受压翼缘应设置拉条或撑杆，拉条和撑杆的截面应按计算确定。圆钢拉条直径不宜小于10mm，撑杆的长细比不得大于200；当檩条上、下翼缘表面均设置压型钢板，并与檩条牢固连接时可不设拉条和撑杆。但拉条的设置对于檩条的受力很重要，拉条可以减少My，提高檩条的整体稳定性。

因此，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(目前止种做法应用最为普遍)。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。

2.1.2 设计方法

檩条计算时应和工程实际情况相对应，采用哪种公式要根据屋面板板型和拉条的设置情况来确定，特别是现在普遍采用计算机软件来设计，一个选项或参数设错，就直接影响计算结果。

当屋面板能阻止檩条侧向位移和扭转时，可不做檩条稳定性验算，采用CECS102-2002中6.3.7-1计算；当屋面板不能阻止檩条侧向位移和扭转时，按CECS102-2002中6.3.7-2计算。对于屋面采用单层彩钢板的结构，构造不能保证檩条下翼缘的稳定性，且按习惯做法拉条设置在檩条上翼缘，此时下翼缘在风吸力作用下的稳定计算考虑两种情况：(1)仅在上翼缘设拉条，(2)设双层拉条。

通过具体实例进行对比拉条的设置情况对檩条计算的影响：

某轻钢厂房柱距6m，边缘带檩距1.5m，钢材Q235，基本风压0.55KN/m2，风压高度变化系数1.14，屋面坡度1/20，恒载0.2KN/m2设两道拉条，经计算，截面由风吸力控制，檩条下翼缘计算结果表1所示：(采用中国建筑科学研究院PKPM STS 2008版计算)

由此可见：当风吸力起主要控制作用时，设置双层拉条比增大檩条截面更经济。

需要指出的是，此处如果屋面板能阻止檩条上翼缘侧向失稳，可仅在檩条下翼缘设置拉条，计算结果与设双层拉条是一样的。

当然，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刚度和减少外部荷载引起的扭转效应。

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为10mm。因此笔者建议，当仅设置一道拉条时，可以采用在檩条下翼缘与相邻檩条上翼缘斜向设拉条的方式。

2.2 墙梁设计

2.2.1 设计原则

墙梁设计与屋面檩条设计类似，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的影响。

2.2.2 设计方法

根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》8.3.1条及其条文说明，两侧挂墙板的墙梁和一侧挂墙板、另一侧设有可阻止其扭转变形的拉杆的墙梁，可不计弯扭双力矩的影响(即可取B=0)，此时可仅进行墙梁的强度计算。因此对于非自承重的墙板，应在檩条内外设置双侧拉条，对于自承重墙板，可仅在内侧设置拉条。

对于风吸力作用下内翼缘的稳定性计算，与屋面檩条类似，墙板一般采用自攻螺钉与檩条固定，可认为墙板能阻止墙梁外翼缘侧向失稳。

同样举例，某轻钢厂房柱距6m，边缘带檩距1.5m，钢材Q235，基本风压0.55KN/m2，风压高度变化系数1.14，设两道拉条，经计算，截面由风吸力控制，檩条下翼缘计算结果表2所示：(采用中国建筑科学研究院PKPM STS 2008版计算)

由此可见：拉条设置在墙梁内侧比增大檩条截面更经济。

而对于非自承重墙板，宜在墙梁内外设双侧拉条，外侧拉条可以作为墙板在自重作用下墙梁的竖向支点。在墙板顶部和窗户下的墙梁处应同时设置斜拉条和直撑杆，将拉力传至刚架柱或墙架柱，底部墙梁一般固定在墙垛或矮墙上，整体稳定有保证，故底部墙梁处可不设斜拉条和直撑杆。

3 结语

(1)檩条的受力是不均匀的，恒活荷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。所以，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时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，但拉条作为檀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，一般用角钢或钢管内设拉条的做法，设置撑杆的同时应设斜拉条。

(2)轻钢结构围护系统设计时，要重视构造措施对提高结构稳定性的作用，应根据彩钢板板型及连接方式选择合理的构造设计措施；构件计算时若是稳定起控制作用，应首先通过构造手段解决构件稳定性，而不是盲目加大构件截面或提高钢材等级等手段，从而降低造价以求得更好的经济效益。

[1]中国工程建设标准化协会标准.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS:102:2002北京:中国计划出版社,2003.

[2]国家标准.冷弯薄壁型钢结构技术规范GB:50018-2002.北京:中国计划出版社,2002.

[3]汪一骏等.钢结构设计手册(第三版)北京:中国建筑工业出版社,2002.