轻型钢结构房屋檩条的合理设计

轻型钢结构房屋檩条的合理设计

摘要:本文就轻型钢结构房屋檩条的选材、布置、计算等方面探讨其经济性、合理性。关键词: 轻型钢结构房檩条设计

引言

90年初，轻型钢结构房屋开始得到应用。其中以门式刚架为代表的轻钢结构应用最为广泛，这种结构主要由主刚架体系、檩条和支撑体系、围护体系三大体系构成。在这三大体系中屋面檩条体系、围护体系都要大量使用檩条，用钢量占到工程总用钢量30~40%，所以檩条设计的合理，可以有效的降低工程造价，节约成本。

1.选材

简支、小跨度的檩条宜选用Q235 等级的钢材；连续或大跨度的檩条宜选用Q345 等级的钢材。一般情况下,当由强度控制设计时宜用Q345 级钢材，充分利用其屈服强度高的优势。当由刚度控制设计时宜用Q235 级钢材，在同等用钢量的情况下利用其价格优势。当由稳定控制设计时，可根据具体情况选择Q345 或Q235 级钢材。

2.檩条间距和跨度的布置

檩条的设计首先应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、及檩条供货规格的影响，以确定檩条间距，并根据主刚架的间距确定檩条的跨度。确定最优的檩条跨度和间距是一个复杂的问题。随着跨度的增大，主刚架及檩条的用量势必加大。但主刚架榀数的减少可以降低用钢量，檩条间距的加大也可以减少檩条的用量。厚度更大的檩条也可以降低单位用钢量的价格。但是檩条跨度的加大，支撑用量也相应增多。所有这些因素需要综合考虑。我国这方面内容的研究相对较少，英国对90米长的建筑作过系统的研究，结果显示，对于跨度超过20米的框架，7.5米的框架间距是最优的；对于跨度小于20米的框架，4.5米的框架是最优的。

3.选型

檩条和墙梁主要选用Z型或C型冷弯薄壁型钢，一般情况下除兼作窗框门框因建筑需要采用C型墙梁外，其余情况宜优先考虑采用Z型构件，将此两种型式构件作比较可得出如下结论:

C型构件的剪心与形心有偏心,而Z型构件的剪心与形心重合(如图a示)因此在重力荷载作用下Z型构件的倾覆力矩要大于C型构件;

这两种规格檁条在用钢量一样的情况下，绕平行于屋面的轴，Z型檩条截面特性略大于C型檁条；绕垂直于屋面的轴，在不利一侧Z型檩条截面特性也略大于C型檁条。而檩条是按平行于屋面和垂直于屋面进行验算，因而Z型檩条受力性能稍好一些。

对于Z型檩条θ在20°左右时，绕x-x轴、y-y轴的截面特性与绕x1-x1轴、y1-y1轴的截面特性比较接近，所以Z型檩条适用于屋面坡度比较大的情况。

在屋面坡度较小时，C型檁条自重产生偏心较小，在屋面坡度较大时，Z型檁条自重产生偏心较小。

Z型构件易于搭接构成连续檩条型式;

C型构件外形宜于作有窗设置的墙面檩条，此时C型墙梁兼作窗框。檩条承受双向弯矩和扭矩作用,受力较为复杂,同时考虑到便于运输和安装,冷弯薄壁C 型钢与Z型钢檩条截面的高度不宜大于300mm。

4.侧向支撑的设置

4.1屋面板的支撑作用

可以将屋面视为一大构件，承受平行于屋面方向的荷载（如风、地震作用等），称之为屋面的蒙皮效应。考虑蒙皮效应的屋面板必须具有合适的板型，厚度及连接性能，主要是一些用自攻螺丝连接的屋面板，可以作为檩条的侧向支撑，使檩条的稳定性大大提高。扣合式或咬合式的屋面板不能对檩条提供很好的侧向支撑。

4.2拉条作用

作为檩条侧向支承点,增加檩条的整体稳定性;

有利于减少檩条在平行于屋面坡度的跨度,降低檩条侧向弯矩。

4.3拉条布置及做法

檩条跨度大于4m时,应在檩条间跨中位置设置拉条。檩条跨度大于6m时,应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。在屋脊处可利用两边对称重力平衡不设斜拉条。屋面不对称或有天窗时，在屋脊处或天窗侧应设置斜拉条和撑杆；在檐口应设斜拉条以抵抗风吸力作用下的反向弯矩。拉条可采用圆钢或冷弯薄壁角型钢、槽型钢。采用圆钢作拉条时,圆钢直径宜不小于φ10,以使檩条上的开孔孔径与支座处孔径一致。

5.连续檩条设计

将檩条设计成Z型嵌套式搭接(图b)构成连续梁模式，比简支梁檩条刚度大（挠度小），内力小，可大大节省用钢量。因此连续檩条适用于屋面荷载较大、跨度较大的情况。为了便于嵌套搭接设计成上下翼缘不等宽，为使嵌套搭接具有连续梁效果，其搭接区长度不宜小于跨度的10%。由于嵌套搭接存在有较大间隙，在支座处约有10%的弯矩释放，此释放量将加到在跨中去。

6.多跨静定檩条设计

实腹式多跨静定檩条宜采用高频H型钢,适用于柱距大或屋面荷载很大的情况。多跨静定檩条的静力铰设置位置宜使支座弯矩与跨中弯矩大致相等,通常可设在与支座的距离为邻跨跨度的1/6处(图c)。同时需考虑铰节点处的抗扭措施，可采用设拉条等方式。

7.檩条的稳定性设计

檩条的稳定性应考虑围护板的布置和固定方式并通过构造方法来解决。如屋面板为双层且与檩条上、下翼缘均有可靠连接时，稳定可不计算，仅计算强度。如屋面板为单层且与檩条上翼缘有可靠连接时，宜在靠檩条下翼缘处设单排圆钢拉条，保证下翼缘受压时不失稳。如屋面板为单层且为咬合或暗扣式板，宜在靠檩条上、下翼缘处设双排圆钢拉条或采用C型截面拉条，以保证上翼缘或下翼缘受压时不失稳。

8.檩托

在简支檩条的端部或连续檩条的搭接处，考虑设置檩托是比较妥善的防止檩条在支座处倾覆或扭转的方法。檩托常采用角钢，高度达到檩条高度的3/4，且与檩条以螺栓连接。檩条构件之所以要离开主梁一段距离，主要是防止薄壁型钢构件在支座处的腹板压曲。

9.墙面檩条的设计计算

冷弯薄壁型钢的墙檩与檩条的设计方法相似，但也有不同点。墙檩承受的荷载与其布置有关。一般与墙檩连接的墙面板都做成自承重体系，墙檩只承受少量自身重量和风荷载，当开有门窗时，门窗以上的墙面板荷载由墙檩承受，那么它的受荷要大一些。

墙檩的设计根据其与墙面板的连接方式不同而有所变化。当单侧与墙面板连接时，若墙面板是自承重体系，则可以按单向受风荷载考虑墙檩的强度和稳定问题；若墙面板的重量由墙檩支撑，则应该按双向弯曲考虑其稳定和强度。在风吸力下，墙面板单面连接的墙檩的自由翼缘的稳定问题需要象考虑屋面檩条风吸力下作用一样考虑，也可以采用构造的近自由翼缘的支撑来防止其扭转和失稳。当墙檩的双侧都有墙面板连接时，则侧向稳定可由墙面板来防止，墙檩只需作强度