考虑隅撑作用的简支檩条设计研究.docx

考虑隅撑作用的简支檩条设计研究伍晓顺1 ，李莉2( 1 江西理工大学南昌校区，江西 南昌330013;2 江西赣粤高速公路股份有限公司，江西 南昌 330025)摘 要: 简支檩条的常规设计不考虑隅撑对檩条的作用，但隅撑与檩条的连接是客观存在的，隅撑对檩条的受力会产生影响。本文分析了隅撑对檩条的两种作用，即隅撑对檩条的支承作用和附加作用力，并指出隅撑作用下简支 檩条的受力分析应当考虑活载不利布置以及各种不同的隅撑附加力工况。算例计算表明，考虑隅撑作用的简支檩 条内力变化较大，常规设计偏不安全。关键词: 隅撑; 檩条; 轻钢结构; 内力中图分类号: TU392 5文献标志码: B文章编号: 1008 1933( 2014) 01 073 03由于刚架梁的失稳倾向，其受压下翼缘处会产生一 水平力 P，P 将使隅撑受拉或受压而对檩条产生附 加力，如图 1 所示。P 的方向取决于刚架梁的失稳 方向，主要由刚架梁的初始缺陷决定。P 的大小跟刚架梁初始缺陷、构件截面尺寸、隅撑-檩条布置方 式及间距有关6，但 P 的具体值很难确定。P 最大引言0门式刚架轻型房屋钢结构体系中，为保证刚架梁受压下翼缘处的平面稳定，常设置隅撑连接檩条 和刚架梁。文献1第 6 3 7 条 4 款规定，“计算檩 条时，不应考虑隅撑作为檩条的支承点”。但实际 上，隅撑与檩条的连接是客观存在的，隅撑对檩条的 受力会产生一定影响。其影响体现在两个方面: 一 是隅撑对檩条具有支承作用; 二是隅撑对檩条产生 附加作用力。在工程设计中，为执行上述条文而忽 略隅撑对檩条的受力影响，大大简化了檩条设计，提 高了设计效率。但是，隅撑对檩条受力的影响还是 受到了研究者关注2-4。文献2只考虑了隅撑对连续 Z 型檩条的有利 作用，指出檩条弯矩会大大减小。文献3只考虑 了隅撑对连续 Z 型檩条的不利作用，导致檩条弯矩 严重偏大。文献4综合考虑了隅撑对檩条受力的 两种作用，指出檩条受力有较大变化。但总的来说， 考虑隅撑作用下檩条受力的研究( 如考虑隅撑作用 力时的工况组合、檩条内力变化及应力变化等) ，尚 不够系统和深入。考虑到简支檩条安装简单、施工 方便且应用较多，故本文拟对考虑隅撑作用的简支 檩条设计进行探讨。16可取 fA / ( 60槡fy /235 )/ ( 100 槡fy /235 )。或 fA考虑到前者适用于隅撑设计 可能偏大 故本文值采用后者。，P1隅撑对檩条的作用隅撑可单面设置，也可双面设置，且相邻刚架横图 1隅撑对檩条作用示意考虑到刚架梁下翼缘并不能阻止隅撑下端的水平侧向位移，而刚架梁却能阻止隅撑下端的竖向位 移。因此，图 1 所示的隅撑节点图可以简化为图 2 所示的支座处局部计算简图。考察图 2 可知，单面隅撑对檩条不起支承作用( 即不减小檩条计算跨度) ，但对檩条产生附加作用梁的隅撑应布置在同一开间才能形成支撑刚度5。收稿日期: 2012-08-28作者简介: 伍晓顺( 1981 ) ，男，江西南康人，工学硕士，工程师，主 要从事结构工程专业的教学和科研。E mail: wuxiaoshun1981 163 com74四川建筑科学研究第 40 卷算例3取简支檩条跨度 6 m，负荷宽度 1. 5 m，规格为C200 70 20 2. 2，刚架梁规格为 H600 180 5 8，隅撑规格为 L50 3. 0，倾 角 45，均 为 Q235B 级钢。檩条净截面系数取 0. 85。压型钢板能约束 檩条上翼缘，檩条下翼缘不设置拉条。荷载工况如 下( 均为标准值) :1) 静荷载 0. 30 kN / m2 ( 含檩条自重) ;2) 活荷载 0. 50 kN / m2 ( 跨中 1 kN 集中荷载不 起控制作用，故不考虑) ;图 2 支座处局部计算简图力; 双面隅撑对檩条起支承作用( 即减小檩条计算跨度) ，且对檩条产生附加作用力。但双面隅撑对 檩条起支承作用有一定前提，那就是刚架梁两侧的 开间均应成对布置隅撑，以形成隅撑-檩条体系刚 度，从而使两侧开间的隅撑-檩条体系能互相支撑， 以阻止双面隅撑下端的水平侧向位移。2隅撑作用对檩条内力的影响由于隅撑对檩条的作用是客观存在的，图 2 所 示的局部计算简图应该包含在檩条计算简图中。为 充分体现隅撑作用，应形成一个多跨简支檩条计算 简图，如图 3 所示。3) 风荷载为 0. 30kN / m2 ;4) 水平力 Pk ，大小取 fA /100 /1. 4，共有 16 种不同的 P 荷载工况。k考虑组合工况:1) 1. 2 静 + 1. 4 活;2) 1. 2 静 + 1. 4 活 + 1. 4Pk ;3) 1. 0 静 + 1. 4 风;4) 1. 0 静 + 1. 4 风 + 1. 4Pk 。利用 sap2000 程序进行计算分析。现考察如下 两种情形:1) 单面隅撑，三跨，不考虑活荷载不利布置，见 表 1。表 1单面隅撑作用下檩条内力设计值所考虑的不同情况 / ( kNm)所在跨数内力情况 1情况 2情况 3情况 4M1，1M1，2 M1，3 N1，1 N1，2 N1，32 587 162 58000 0 20 0 81 0 200004 469 034 46 3 090 3 09 2 45 3 51 2 45 3 090 3 09图 3 三跨简支檩条计算简图第一 跨由图 3 可以看出，对于图 3( a) 所示的仅设置单面隅撑的情形，包含隅撑的多跨简支梁仍为静定结 构; 而对于图 3( b) 所示的设置双面隅撑的情形，包 含隅撑的多跨简支梁则变为超静定结构，对活荷载 不利布置变得敏感，此时檩条受力分析应该考虑活 荷载不利布置。由于每道刚架梁均存在两种可能的失稳方向，导致第 i 道刚架梁处的水平力 Pi 或正或负，对于 n 跨檩条( 对应 n + 1 榀刚架梁) ，则有 2n + 1种不同的 P 荷载工况需要考虑。可见，考虑 P 作用的檩条受力分析较为复杂和繁琐。从定性的角度 看，对于图 3 ( a) 所示的单面隅撑情形，由于隅撑不能减小檩条计算跨度，部分 P 荷载工况必定会引起檩条内力增大; 而对于图 3 ( b) 所示的双面隅撑情 形，尽管活荷载不利布置和部分 P 荷载工况均会增 大檩条内力，但由于隅撑减小了檩条计算跨度，弯矩的增大与减小能部分抵消而不像图 3 ( a) 所示增加 过多。 0 950 190 77 1 26 *maxM2，1M2，2 M2，3 N2，1 N2，2 N2，32 587 162 58000 0 20 0 81 0 20 0002 587 162 58000 0 60 1 65 0 60 000第二 跨 max0 950 190 950 84 M2 587 162 580000 95 0 20 0 81 0 20 0000 194 469 034 46 3 09 0 3 09 1 26 * 2 45 3 51 2 45 3 09 0 3 09 0 773，1M3，2M3，3第三 跨N3，1N3，2N3，3max注: 1 表中，Ma，1 表示第 a 跨左边隅撑支点处弯矩; Ma，2 表示第 a 跨跨中最大弯矩; Ma，3 表示第 a 跨右边隅撑支点处弯矩( 均为绝对值 最大值) 。弯矩值以下翼缘受拉为正。Na，b 表示第 a 跨第 b 段檩 条轴力( 取绝对值大的轴力，以拉为正) ，以隅撑支点为分界点。max 表示最大应力比。2 表中，情况 1 表示常规设计时 1. 2 静 + 1. 4 满布活载; 情况 2 表 示常规设计时 1. 0 静 + 1. 4 风吸; 情况 3 表示 1. 2 静 + 1. 4 活载+ 1. 4Pk ; 情况 4 表示 1. 0 静 + 1. 4 风载 + 1. 4Pk 。常规设计指不考虑隅撑作用的檩条设计。伍晓顺，等: 考虑隅撑作用的简支檩条设计研究752014 No. 1由表 1 可知，对于设置单面隅撑的情形，考虑隅撑作用的简支檩条除产生轴力之外，檩条的正负弯 矩均比常规设计值显著增加。对应本算例参数，正设计相比，简支檩条内力变化较为复杂。由于隅撑的支承作用，檩条计算跨度被减小，同一檩条会产生 不同的正负弯矩区段，且弯矩峰值均有所下降。虽 然对应本算例参数，檩条应力比没有超限，但有两点 值得注意。考虑活载不利布置和隅撑作用的端跨檩 条跨中正弯矩接近常规设计值，说明在刚架梁下翼 缘面积有所增大( 即 P 增大) 的其他情况下，端跨檩 条应力比容易超限。同时，考虑风吸力和隅撑作用 的檩条正负弯矩较常规设计值有较大增加，说明在 檩条常规设计由风吸力起控制作用的其他情况下 ( 在基本风压较大地区) ，檩条应力比也容易超限。 因此，设置双面隅撑对檩条受力也可能不利。kN / m2负弯矩增幅约相当于增加 0. 30的活荷载标准值( 或风荷载标准值) ，该增加值是由隅撑对檩条产生的附加力引起的。因此，设置单面隅撑对简支 檩条受力很不利。2) 双面隅撑，三跨，考虑活荷载不利布置，见表2。表 2双面隅撑作用下檩条内力设计值所考虑的不同情况 / ( kNm)所在跨数内力情况 1情况 2情况 3情况 4情况 5M1，1M1，2 M1，3 N1，1 N1，2 N1，32 587 162 58000 0 20 0 81 0 200002 165 21 3 61 3 97 1 41 10 564 617 02 5 67 4 26 1 61 13 62 1 97 1 78 1 643 620 68 5 30结论4第一 跨单面隅撑对檩条不起支承作用，但对檩条产生附加作用力; 双面隅撑对檩条起支承作用，且对檩条 产生附加作用力。考虑隅撑作用的简支檩条与常规 设计相比内力变化较大，更容易引起檩条破坏。轻 钢结构在大风、大雪作用下容易倒塌，与隅撑作用对 简支檩条受力不利不无关系。但考虑隅撑作用的简 支檩条设计较为繁琐，且 P 的值较难确定，因此，如 何简化隅撑作用下简支檩条的设计值得进一步研 究。 max0 950 190 790 920 66 M2，1M2，2 M2，3 N2，1 N2，2 N2，3max2 587 162 580000 95 0 20 0 81 0 200000 19 3 922 96 3 9210 2 2 100 72 6 154 55 5 92 13 32 2 89 13 320 831 80 1 08 1 80 5 26 0 51 5 260 26第二 跨M3，1M3，2 M3，3 N3，1 N3，2 N3，32 587 162 58000 0 20 0 81 0 20000 3 615 212 1610 56 1 41 3 97 5 677 024 6113 62 1 61 4 561 64 1 78 1 97 5 25 0 673 37第三 跨参 考 文 献:12CECS102 202 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程S陈友泉，魏潮文，等 轻钢结构中 Z 型连续檩条设计问题的探 讨J 建筑结构，2003，33( 7) : 16-19纪福宏，汪 一骏 檩条设计中若干问题的探讨J 钢结构，2005，20( 5) : 1-3陈友泉，王 磊 规程 CECS102 2002 的三个设计计算问题及 其解决办法J 建筑结构，2010，40( 4) : 27-33童根树 钢结构的平面外稳定M 北京: 中国建筑工业出版 社，2007曹 峰，童根树 门式刚架梁隅撑设计的强度要 求J 钢结 构，2005，20( 6) : 11-16 max0 950 190 790 920 66 注: 1 表中，Ma，1 表示第 a 跨左边隅撑支点处弯矩; Ma，2 表示第 a 跨跨中最大弯矩; Ma，3 表示第 a 跨右边隅撑支点处弯矩( 均为绝对值 最大值) 。弯矩值以下翼缘受拉为正。Na，b 表示第 a 跨第 b 段檩 条轴力( 取绝对值大