论轻钢结构中的连续檩条优化设计

2017-01-03 09:51朱张军刘磊
建筑建材装饰 2016年10期
关键词:优化设计钢结构

朱张军 刘磊

摘要:轻钢结构在国内应用范围越来越广泛,而在轻钢结构中屋面与墙面的檩条是重要的结构构件。这里结合高质量、低成本的经济型社会设计要求,在保证质量的前提下,讲经济效益,对连续檩条加以简化的设计方法进行了探讨,以实现其最优化设计。

关键词:钢结构;屋面檩条;优化设计

前言

轻钢结构因施工速度快,用钢量省的特点在工业领域应用越来越广泛,被越来越多业主普遍认可,但伴随越来越多施工单位参与工程承包的境况,竞争越来越激烈。为了节省成本,将开销降到最低,业主往往在中标前后都会让设计单位做大量修改,浪费大量人力、物力及财力,为了改善这种情况。在设计阶段就应将简化设计考虑进去,实现轻钢结构屋面檩条的优化。那么如何进行简化,确定出一种有效、实用的方法,适合具体的工程设计呢?

1.连续檩条优化设计

1.1构造设计

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。

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,将产生扭矩。

我们就几种拉条的布置方式加以讨论。图1(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1(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1(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1(c)相反如图1(d),则在施工中有利,在风吸力作用下不利,将图1(c)、图1(d)结合起来,则可有效防止檩条失稳。如图1(e)。考虑到施工方便,也可采用图1(f)。

为了对拉条位置进行分析,我们可以选取一跨加以计算。通过计算不难看出,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。

1.2内力分析: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计算强度和稳定,再考虑檩条搭接的松弛10%。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。

例题分不同的工况计算,从计算结果看,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10%,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变截面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%。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(1+12),若檩条为Z200x70x20x2,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11+12=10%L(L:跨长),从本例看L=6m,则为0.3+0.3=0.6,所以M=2×10.08x0.6=12.1kN·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10%跨长,是比较合理的。

2.结语

在轻钢结构檩条设计中,可以根据具体情况从设置连续檩条、增加结构构造、采用合理荷载取值及分布等方面人手来进行优化设计。轻钢结构屋面檩条设计,应从荷载取值、计算公式、构造措施等多方面综合考虑,根据工程实际情况认真分析、合理选取,实现檩条设计的最优化及最简化,既可保证檩条的使用安全。又能最大限度的减少用钢量,创造最大的综合经济效益。

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