连续檩条搭接长度分析及构造建议

连续檩条搭接长度分析及构造建议
摘要：以理论模型入手分析了连续檩条内力情况，从而确定连续檩条最佳有效搭接长度,结合多年设计经验,给出在设计、施工时需要注意的构造要求。

关键词连续檩条分析模型有效搭接构造要求
一．引言
钢结构厂房在屋面设计过程中，为了节约材料、减少造价，大多采用Z型连续檩条，但是国家标准规范、图集中尚未对连续檩条搭接长度、构造有详细说明。

设计人员对连续檩条能否有效传递弯矩；内力挠度如何计算；搭接长度及构造要求应如何设计产生困惑。

现针对以上这些问题逐一分析。

二．连续檩条分析模型
1.均匀连续梁模型
图1 为五跨均匀连续梁在均布荷载q的作用下的弯矩和变形[1] 。

变形（）
图1五跨均匀连续梁的弯矩和变形
2. 搭接模型
图2(a) 为连续檩条在实际工程中的构造详图,檩条腹板上的三对螺栓是用来传递剪的。

在设计过程中,将檩托板和檩条搭接端头处的三对螺栓简化成三根链杆(见图2(b) ) ,用以连接檩条[2] 。

这样计算模型可较真实地反映连续搭接檩条的内力和变形状况。

而链杆的轴力就是螺栓所承担的剪力,可用于指导螺栓设计。

图2搭接模型
通过ANSYS 有限元程序分析，采用搭接模型和均匀连续梁模型的计算结果基本接近。

檩条单元中的跨中最大弯矩和最大变形十分接近;而在支座附近,单根构件上的负弯矩比按均匀连续梁的计算结果要小,但均不小于其一半。

因此,只要把按均匀连续梁模型计算的结果进行稍稍调整即可用于连续搭接檩条的设计计算。

连续檩条的弯矩分布如图3所示，其控制截面的弯矩如图中M1~M9,其中M2、M4、M6、M8是搭接末端处的弯矩值，随搭接长度而定。

在支座处嵌套搭接双层檩条具有双倍的强度，跨中是单檩条强度。

优化设计应当是使M2≈M1, M4≈M5≈M6, M8≈M9……端跨的弯矩大于内部跨的弯矩，因此图3中的搭接长度应当是B>A≥C[3]，弯矩值的控制截面将是M1、M3、M7、M9等。

在计算连续檩条的挠度时，应考虑嵌套搭接的松动带来的挠度增加，这个增加量有实验测定，檩条的细部尺寸不同，挠度的增加量不同，根据杭萧公司委托浙江大学做的试验的情况，可以将均匀连续梁模式计算出的挠度乘以1.3~1.5的放大系数，或对搭接区段的刚度，按单根檩条刚度的0.5L 来拟合计算。

[4]（注：此对应檩条卷边为60°，如檩条卷边为45°，则按单根檩条刚度的0.4L来拟合计算。

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图3 连续檩条搭接长度及弯矩分布图
三．连续檩条有效搭接长度
在连续檩条中，为了方便嵌套搭接，使Z型檩条的上、下翼缘宽度不等，其不等宽度之差以5~7mm为宜，采用这种构造，设计人有两个问题需要考虑：1.嵌套搭接的长度以多少为好；2.嵌套搭接的刚度情况如何，在计算内力和挠度时需要以此为依据，不同松紧的套管有不同的刚度结构，这只能考实验来确定。

已有的实验表明：嵌套搭接的长度大约是10%的跨度较为适宜，搭接太短，形成连续檩条的刚度太弱，搭接太长，则增加的效果不明显，造成浪费[5]。

檩条搭接越长,嵌套作用就越强。

在设计时,认为支座处两根檩条共同工作,那么它们所能承担的弯矩及剪力都应该是单根檩条的两倍,需要说明的是,两根檩条搭接时还应该满足以下4 个条件才可以满足共同工作的假设[6] :1) 搭接的端部必须采用直径不小于12mm 的螺栓相互连接;2) 两根檩条的下翼缘与支座连接时必须采用直径不小于12mm 的螺栓;3) 两根檩条的腹板必须紧密贴合;4) 两根檩条的构件壁厚比不应超过1.3。

图4 檩条搭接长度示意图
2003 年《全国民用建筑工程设计技术措施》中对檩条的搭接长度有了明确的规定,即要求不小于跨度的1/ 10 。

这个规定基本反映了经济可靠的原则,但是它只参考了影响檩条有效搭接长度的跨度变量,而没有考虑荷载变量，在设计过程中需要引起注意。

这样就可以基本确定有效的搭接长度为檩条跨度的1/ 12～1/ 10 ,有条件的话,第一跨的搭接长度还应该略长一些，最好为0.15L。

需要说明的是,在檩条跨度较小而且檩条所承担的悬挂荷载也很小时,有效搭接长度与跨度的比可能比本文分析的更小一些。

四．构造要求
1. 自攻螺钉布置
试验研究表明:上、下翼缘均有自攻螺钉和仅在上翼缘有自攻螺钉时,嵌套刚度相差不算大[7] 。

而在实际工程中,由于其与层面板连接,上翼缘总是有自攻螺钉的(下翼缘则在有内衬板时才会有自攻螺钉) 。

Z 型连续檩条连接构造详见图5 。

跨中弯矩必然降低,从而风吸力作用下下翼缘受压区长度减小。

因此,在搭接端头的上、下翼缘处各设一对螺栓提高了风吸力作用下檩条的稳定性。

图5Z型连续檩条搭接和螺栓布置
2.卷边角度向外倾斜的斜卷边角度越小,嵌套刚度越小,卷边角度越大,嵌套刚度越大,但安装难度会随之增大,为使运输和安装方便,宜采用60°左右的斜卷边角度。

五．结论
(1) 斜卷边Z 型檩条采用搭接连接可以连续承担荷载。

采用均匀连续梁模型设计檩条是可行的。

(2) 拉条继续延用习惯做法,即仅在檩条的上翼缘附近设置拉条。

连续檩条强度验算只考虑跨中和檩条搭接的端头处;将按均匀连续梁模式计算的值乘以1.3～1.5的放大系数。

(3) 对于连接节点,连续檩条的搭接长度在任何时候都不宜小于1/12L ,多跨檩条中,端跨檩条应向第二跨再延伸,延伸长度为0.15L 时都能满足要求;嵌套搭接仅需在搭接端头的腹板处设置一对螺栓;为保证一定的嵌套刚度且不致于使安装难度过大,卷边角度在60°左右为宜,工程中通常采用60°。

(4) 连续檩条的用钢指标明显低于简支檩条; 另外,在提供较大搭接长度的前提下,连续檩条采用同种规格的截面也不失为一种好的方法。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看。