门式轻型钢结构的隅撑设计及其受力分析

门式轻型钢结构的隅撑设计及其受力分析

来源作者：宋新利发布于2012/9/4 16:27:44 评论(1)有2662人阅读

1 概述

随着轻钢结构的发展, 大跨度屋面梁的应用随处可见。为增加屋面钢梁的平面外刚度以及防止下翼缘在受压状态时的失稳, 特设置隅撑; 隅撑选型以热轧角钢居多, 一侧连接在钢梁下翼缘或腹板处, 另一侧连接在屋面檩条上,一般和钢梁腹板呈45°夹角, 最终形成由隅撑、檩条、钢梁组成的三角形稳定体系, 见图1。

图1 钢梁隅撑安装示意图

2009年11月份, 河南地区遭遇了50 年一遇的罕见暴雪, 许多轻型房屋钢结构工程都遭到了不同程度的破坏。破坏的部位多发生在屋面檩条等次钢部位, 破坏的形式多表现在檩条挠度过大、拉条拉断、屋面板漏水等现象; 但也出现了部分结构倒塌的事故, 下面是一组雪灾引起厂房倒塌的实例照片, 见图2; 通过这些照片来帮助我们理解隅撑在轻钢厂房中所起的作用。照片中可以看出:

压塌处梁柱破坏照片1~ 4

图2 一组雪灾引起厂房倒塌的实例照片

( 1) 靠近柱端的檩条位置没有设置隅撑。在梁柱节点区域, 负弯矩的存在引起钢梁下翼缘受压, 当雪荷载超载后翼缘发生屈曲, 丧失承载力;

( 2) 部分隅撑连接破坏或发生屈曲, 丧失承载力, 继而失去对钢梁的支撑约束, 引起钢梁侧向扭转破坏; ( 3) 钢梁屈曲部位不一定在应力最大部位, 有些是发生在3 m 间距的隅撑空档处, 由此可见在梁端部位的隅撑应该加密。

2 隅撑的设置及受力分析

2 1 隅撑的设置

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》( CECS 102-2002) (以下简称为《规程》) 中规定: 隅撑的设置宜对称布置, 当有困难时也可单侧布置, 当隅撑对称布置时, 单个隅撑的轴向压力可取公式计算的一半。

2 2 隅撑的受力分析

许多参考书中对隅撑的分析以纯受压杆件居多, 我们针对设置的单隅撑和对称设置的双隅撑, 并根据各种工况荷载下进行了受力分析, 见图3。

从图3~ 图6可以看出, 在刚架梁柱节点区域隅撑内力(压力) 最大; 在跨中区域的隅撑内力(压力) 次之; 对单隅撑宜按轴向受压杆件设计, 对双面对称隅撑则可按一压一拉设计。

3 隅撑的计算

《规程》中规定: 隅撑应按轴心受压构件设计, 轴力N 可按下列公式计算:

式中: A—钢梁被支撑翼缘的截面面积;

f—钢梁钢材的强度设计值;

f y—钢梁钢材的屈服强度;

θ—隅撑与钢梁腹板的夹角。

当隅撑成对布置时, 每根隅撑的计算轴力可取上面公式的一半。以具体工程为例, 计算过程如下:

已知钢梁规格H 850x200x8x12, Q345材质; 隅撑为L50 x5, 角度45°, Q235材质; 檩条规格C180 x 60 x 20 x2.5, Q345材质; 连接螺栓为M14, 对应孔径15.5 mm。

图7 隅撑双螺栓固定示意

从以上计算结果我们可以看到: 当钢梁截面高度较高时, 隅撑的稳定起控制作用; 当钢梁翼缘较大, 且质为Q345时, 隅撑轴力非常大, 在檩条连接处, 由于檩条壁厚较薄, 螺栓抗剪和局部承压很难满足, 需引起重视。

4 关于隅撑在设计和施工方面的一些建议

4 1 隅撑的设置范围

《规程》规定: 在檐口位置, 刚架斜梁和柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处, 应各设置一道隅撑。另外考虑钢梁下翼缘在各种工况下的内力变化, 隅撑一般情况为全梁设置。

4 2 隅撑的设置间距

《规程》规定: 隅撑间距不大于相应受压翼缘宽度的倍。当钢梁翼缘宽度为220 mm时( Q345

钢) , 隅撑最大间距为220 x = 2 905 mm, 轻钢厂房的檩条间距一般为1 500 mm, 如果按以上规定, 隅撑设置只能每道檩条均设。结合本文中隅撑的受力分析, 笔者认为, 在刚架梁柱节点区域(可近似取梁跨L /4范围) 的隅撑宜每根檩条设置, 在梁跨中间L /2 范围内可隔根檩条布置, 但要满足钢梁平面外稳定计算要求。

4 3 隅撑对檩条设计的影响

关于隅撑对檩条的影响, 相关文献较少。从隅撑的计算过程我们可以发现, 某些情况下, 隅撑对檩条的影响不能忽略。檩条一般考虑为纯受弯构件, 当设置隅撑后, 在竖向承载方面有一定有利影响, 但隅撑的存在, 必然会在檩条内部产生纵向轴向压力, 此时, 檩条的受力模型就由受弯构件转向压弯构件。檩条一般由2 mm ~ 3 mm 钢板冷弯成型, 在压弯状态下, 其高厚比很难满足, 并且在隅撑檩条连接处, 由于隅撑轴向压力可能较大, 对螺栓的抗剪以及檩条的局部承压都很难满足, 希望相关设计人员要引起注意。

4 4 关于隅撑连接孔的一些问题

有些施工企业出于安装方便, 将檩条上的隅撑连接孔做成长圆孔。如果了解隅撑的作用以及受力特点, 不难看出这是一种不安全的做法, 长圆孔的存在会大大折扣隅撑所起的支撑作用, 希望相关施工企业能采取提高加工和施工精度来解决这个矛盾。

4 5 关于隅撑穿过现场复合屋面下层钢板的一些做法

屋面现场复合指的是, 檩条上下为压型钢板, 中间夹保温棉。设置隅撑时必然会涉及隅撑穿越下层钢板的

问题,通常的有以下两种做法: 第一种做法是先施工屋面底层钢板, 后施工隅撑, 在穿越部位开三角形缺口; 第二种做法是在檩条一侧先固定一个连接钢板, 连接钢板的下端伸出底层屋面板并与隅撑相连, 具体见下

图8。

5 结语

在门式轻钢厂房中, 隅撑属于小型构件, 其钢材用量仅占建筑总用量的2% 左右, 但其所起的作用却非常重要,不论是从事设计还是施工, 都要引起高度重视, 确保我们的结构整体安全。