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1、拉条设置形式对实腹式檩条稳定承载力的影响研究第 27 卷第 4 期2011 年 8 月结构工程师StructuralEngineersV0I_27.No.4Aug.2011拉条设置形式对实腹式檩条稳定承载力的影响研究宋高丽沈凡杨光华(昆明学院城建系,昆明 650000)摘要通过对不同拉条设置形式下实腹式檩条模型的加载试验研究和理论分析,指出现行规范仅以受压翼缘设置拉条数量进行简单的区分来计算檩条的稳定承载力,不考虑不同拉条设置形式的影响,其计算结果是安全的,但在某些情况下过于保守;实际工程中将拉条设在檩条腹板高度中部的现象存在安全隐患,应避免使用;通过在拉条两端设置帽形支座 ,实现仅在檩条腹板
2、高度中部设置拉条却能同时约束檩条上,下翼缘的效果.关键词拉条,设置形式,檩条,稳定承载力StudyonInfluenceofBraceSettingFormonSolid?WebPurlineStableBearingCapacitySONGGaoliSHENFanYANGGuanghua(DepartmentofUrbanConstruction,KunmingUniversity,Kunming650000,China)AbstractThroughthesolidwebpurlinemodelloadingteststudyandthetheoreticalanalysisunderth
3、edifferentbracessettingforms,itwasindicatedthatthepurlinestablebearingcapacitysuggestedincurrentcode,onlyaccordingtothecompressionflangenumberofbraces,nottakingintoaccounttheinfluenceofdifferentbracessettingformsissafe,butitistooconservativeinsomecases.Thephenomenontosetthebracesinthecentralofaheigh
4、tofthepurlinewebinapracticalengineeringisunsafe,whichshouldbeavoidedusing.Throughsettingthehatshapedpedestalonthebothendsofthebraces,torealizethebracesintheeffectofconstrainingboththeupflangeandthedownflangeofapurlineinthecasetosetthebracesinthecentraloftheheightofapurlineweb.Keywordsbrace,settingfo
5、rm,purline,stablebeatingcapacity1 引言在应用广泛的门式刚架结构中,檩条的用钢量在总用钢量中往往占有较大的比重,在实际工作中,由于檩条的破坏导致整个门式刚架结构发生整体破坏的情况屡有发生 J,因此,檩条的设计一直受到业界的关注.檩条形式主要有实腹式,空腹式和桁架式三种,对于常见的实腹式檩条,其设计看似简单,实则复杂,主要表现在:(1)檩条受力复杂.屋面檩条除承受屋面传收稿日期:20110426联系作者,Email:392750478qq.con来的荷载外,通常还兼作支撑体系中的压杆,同时还通过隅撑对刚架梁提供平面外的侧向支承,若再考虑屋面板,拉条,撑杆对檩条的支
6、撑作用,檩条的受力非常复杂,普通钢结构构件的理想化模型远不能满足其计算分析的需要.(2)檩条翘曲应力计算麻烦.对于冷弯薄壁c 型或 z 型截面檩条,外荷载作用偏离截面剪切中心,因此有扭矩产生,会产生不可忽略的翘曲应力,其计算非常麻烦.(3)精确计算檩条的承载力较困难.由于不能对檩条的受力进行准确分析,且计算时对实腹式冷弯薄壁型钢檩条还需考虑屈曲后强度的问-结构分析-结构工程师第 27 卷第 4 期题,再加上屋面蒙皮效应的影响等,要准确计算檩条的承载力较困难.实腹式檩条的破坏大多是失稳破坏,因此,檩条稳定承载力的计算就成为我们关注的重点.2 影响实腹式檩条稳定承载力的主要因素实腹式檩条的稳定问题
7、主要是由受压翼缘的弯扭引起的 J.影响檩条稳定承载力的因素,除其自身截面特性外,最重要的是屋面压型钢板对檩条的约束作用和拉条,撑杆对檩条的侧向支承作用 J.若屋面板与檩条牢固连接,且屋面板材有足够的刚度(例如压型钢板),则有较强的蒙皮刚度帮助檩条抵抗倾覆力矩,但如果是采用非直接固定的具有温度自由伸缩的屋面板,一般是通过设置拉条系统来解决檩条的抗倾覆问题.屋面板与檩条牢固连接,通常指的是用自攻螺钉,螺栓,拉铆钉和射钉等与檩条牢固连接.但在实际工程中,为了更好地防雨水,常采用扣合式或咬合式的连接,在这种情况下,拉条的设置就成为解决檩条抗倾覆问题的关键.3 现行规范关于拉条的相关规定及实际工程中拉条
8、的设置形式拉条的设置是影响实腹式檩条稳定承载力的关键因素之一.冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB50018-2002)和门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)对拉条的数量,截面及设置位置作出了明确的规定:当檩条跨度大于4I11 时 ,宜在檩条跨中设置拉条或撑杆;当檩条跨度大于 6nl 时,应在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑杆;当采用圆钢做拉条时,圆钢直径不宜小于 10mm;圆钢拉条可设在距檩条上翼缘 1/3腹板高度的范围内;当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时,拉条宜在檩条上下翼缘附近适当布置.规范对拉条与檩条连接的其他一些构造细节没有作出明确的规定,比如拉条的设置形式.实际工程
9、中的拉条设置形式多种多样,总的可归纳为三大类:仅约束受压翼缘(上翼缘或下翼缘),如图 1(a)所示;同时约束上 ,下翼缘,如图1(b)一图 1(e)所示;拉条设在腹板高度中部,如图 1(f)所示.(a)拉条约束受压上翼缘(b)拉条约束上下翼缘(交叉型)(c)拉条约束上下翼缘(从檐口斜向下)(d)拉条约束上下翼缘(从檐口斜向上)(e)拉条约束上下翼缘(一上一下间隔)(f)拉条设在檩条腹板高度中部图 1 实际工程中拉条设置形式Fig.1Bracesettingforminpracticalengineeringprojects当屋面荷载作用下使檩条上翼缘受压,风吸力作用下使檩条下翼缘受压时,拉条采
10、用同时约束檩条上,下翼缘的设置形式;当屋面板能阻止檩条上翼缘的扭转和失稳,拉条仅约束其下翼缘,但需采取措施防止檩条安装时倾覆;当屋盖有内衬板,且能阻止檩条下翼缘的扭转和失稳,拉条仅约束檩条上翼缘;拉条设在檩条腹板高度中部的情况,是部分施工单位为图构件加工制作和施工方便,计算时虽按拉条约束檩条受压翼缘考虑,但实际施工时却将拉条设在檩条腹板高度中部.4 拉条设置形式对实腹式檩条稳定承载力的影响研究4.1 现行规范关于檩条稳定承载力的计算规定及存在问题关于檩条稳定承载力的计算,现行规范的相关规定可总结为:当屋面板材与檩条受压翼缘有牢固的连接,且屋面板材有足够的刚度时,认为屋面能阻止檩条的侧向失稳和扭
11、转,可不验算其稳StructuralEngineersVo1.27,No.4?42?StructuralAnalysis定性;当檩条受压翼缘无屋面板材与其牢固连接时,即屋面不能阻止檩条侧向位移和扭转时,按下列公式计算其稳定性:+r+,II)一=(厢()(2)x(+叼)【J(2)公式反映出:当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时,在受压翼缘附近设置拉条,檩条的稳定承载力将得到提高,这种提高仅和拉条设置数量(几道)有关.若按规范公式计算,当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转,且屋面荷载作用下檩条,./,/,l!拉条IIIIllIl一,/:,/,上翼缘受压时,只要拉条设置数量一样,除图 1(f)以外其他 5
12、 种不同拉条设置形式下檩条的稳定承载力均相同.问题是:不同拉条设置形式下,檩条的稳定承载力是否相同?4.2 拉条设置形式对檩条稳定承载力影响的试验研究不考虑屋面板材对檩条侧向失稳和扭转的约束影响,采用裸檩条模型(无屋面板材),使荷载作用下檩条上翼缘受压,分别按图 1 所示设置拉条,通过加载试验测定不同拉条设置形式下檩条的稳定承载力.试验模型结构平面布置如图 2 所示.(a)檩条模型平面布置图(b)檩条缩尺模型图 2 试验模型结构平面布置Fig.2Structurallayoutoftestmodel模型主要构件的尺寸为:檩条跨度 2m,檩条间距 0.4m,檩条截面尺寸为 50mm20mm1mm
13、,槽钢檩条跨中设置一道拉条,在屋脊及檐表 1Table1口位置设置斜拉条和撑杆,拉条和撑杆分别采用直径为 4mm 和 6mm 的圆钢.稳定承载力试验结果如表 1 所示.不同拉条设置形式下檩条稳定承载力试验结果PurlineStablebearingcapacitytestresultsunderdifferentbracesettingforms拉条设置形式图 1(a)图 1(b)图(C)图(d)图 1(e)图 1(f)檩条稳定承载力/(kN?m)O.380.51O.380.380.380.31檩条最大侧向挠度/mm151650352316承载力比值 11.34111O.82侧向挠度比值 11
14、.O63.332.331.531.064.3 实验结果分析按规范公式计算,除图 1(f)以外其他 5 种不同拉条设置形式下檩条的稳定承载力应相同,但试验结果表明:不同拉条设置形式下檩条的稳定承载力不完全相同,且檩条破坏时所产生的侧向挠度差异较大.笔者认为其主要原因是:不同的拉条设置形式下,拉条受力不同,因而对檩条的稳定承载力产生不同的影响.拉条的主要作用是防止檩条产生侧移和扭转,在作用于檩条的屋面竖向荷载作用下,拉条受力主要由两部分产生:屋面荷载坡向分力 q,在此力作用下,越靠近屋脊,拉条所承受的拉力越大,因为上部的拉条将承受来自其下部檩条的所有的力;由于屋面荷载作用线偏离檩条截面剪切中心而产
15、生的扭矩,使檩条有倾覆的趋势,设?结构分析?结构工程师第 27 卷第 4 期置拉条的主要目的是阻止檩条的侧倾,故拉条中还承受由扭矩所产生的力,并最终通过斜拉条将檩条的倾覆力传给刚架.以 c 型截面檩条为例,71 使其有向屋脊方向倾覆的趋势,因此,越靠近檐口,拉条所承受的由,1 产生的拉力越大.5 设计建议qq以图 1(a)所示拉条设置形式为例,在 q,T作用下拉条受力如图 3 所示.作用于檩条上的荷载使拉条受力,拉条受的力又反作用于檩条,不同拉条设置形式下,拉条受力不同,对檩条稳定承载力的影响作用也不同,试验结果也证明了这一点.q二/2图 3 约束檩条上翼缘的拉条受力分析Fig.3Analys
16、isofbraceforceinthecasetoconstrainthepurlinesupflange(1)不同的拉条设置形式,对檩条的稳定承载力和侧移有较大的影响.现行规范中仅以受压翼缘设置拉条数量进行简单的区分来计算檩条的稳定承载力是安全的,但在某些情况下,比如当拉条交叉设置时,如图 1(b)所示,计算结果过于保守,不经济.(2)在计算时按拉条约束檩条受压翼缘考虑,但施工时为图方便仅将拉条设在檩条腹板高度中部,如图 1(f)所示,这样的做法存在安全隐患,不建议采用.(3)图 1(e),(d),(e)所示拉条设置形式下,檩条稳定承载力同图 1(a),但檩条侧向位移却是图 1(a)的 1.533.33 倍,建议设计时慎用.(4)对于目前常用的扣合式或咬合式屋面连接,拉条的设置需同时约束檩条的上,下翼缘.根据试验结果,采用图 1(b)所示拉条设置形式可获得较高的檩条稳定承载力,但施工麻烦,并且檩条的腹板较薄,拉条和檩条连
