第1个回答 2023-02-21
三 门式刚架工程中一些技术问题的探讨
（一）檩条在向上风吸力下的下翼缘失稳
1.问题的提出
钢结构规范及手册的檩条规定都未考虑风向上的下翼缘失稳，拉条都是按图1布置的，当时屋面还未采用彩钢板屋面，坡度比较大，屋面比较重，拉条主要是平衡屋面荷载的水平力和对弯曲中心的扭转，拉条也只要求在屋檐加水平支撑拉住。目前，屋面已很轻很平，几次风灾中都有屋面被掀起，有一些是由于受风吸力作用檩条下翼缘失稳而引起的，因此应引起关注。
2.屋面的蒙皮作用
对檩条在风吸力作用下的下翼缘失稳的验算，薄壁型钢规范是不考虑屋面蒙皮作用，计算结果很不经济。屋面蒙皮作用国内外都在研究。蒙皮作用会提高门式刚架的承载力。如波兰做的双层网架（12m×12m，24m×24m）的足尺试验，屋面波形板蒙皮作用可提高上弦承载力10%，提高下弦、腹杆承载力6%，对门式刚架承载力将会有更大的提高。但国外研究表明，准确计算蒙皮作用是不易的，计算参数对结构的形式和构造细部很敏感，必须进行足尺结构试验才能确定这些参数。屋面蒙皮作用对檩条下翼缘失稳承载力影响很大，国外正致力于考虑在檩条下翼缘失稳时利用屋面蒙皮作用，但计算公式还不成熟。
彩板屋面蒙皮的抗剪能力对檩条上翼缘提供侧向支撑是不成问题的。根据试验，只有当屋面抗剪能力Q值小时才会因Q增加而增加檩条下翼缘的失稳承载力；而Q值达一定数值后，Q值增加不会使檩条承载力有明显变化，屋面抗剪能力一般能达到此要求。因此屋面蒙皮作用对檩条下翼缘扭转失稳的约束是影响檩条承载力的重要因素。
另外，屋面蒙皮作用也可用于门式刚架的平面外稳50定，即平面外稳定计算时，其平面外支点可以采用檩条之间距，而不是采用水平支撑的间距，由于此假定不同，各种程序会有不同的计算结果。墙板的蒙皮作用也是讨论的问题，国外设计墙擦不考虑自重，不设拉条，比较简单，应该说墙体蒙皮作用是可以考虑的，但绝不能省去柱间支撑，而且不宜采用圆钢。
3.计算理论
关于檩条翼缘失稳的计算理论模型，国外主要有二种，一种是有限元法；另一种是将屋面板和受拉翼缘及部分腹板简化为弹性地基，剩余的檩条腹板及受压翼缘被简化为支撑在弹性地基上的压弯构件。国内门式刚架规程也是采用欧洲规范EC3-ENV-996规定的弹性地基的经典模型。目前，考虑风的吸力作用，檩条下翼缘稳定设计的方法有四种：
（1）按照薄壁型钢规范计算，由于该规范未考虑屋面蒙皮作用，因此计算结果很保守，不适用。
（2）参考BHP、奥多Strimat公司的檩条设计手册，这些手册基本一样，承载力用W01表达，其中下角0表示风向上，1是中间一个支点，二个支点即以W02表达，承载力为标准荷载，考虑了屋面蒙皮作用心这些澳大利亚设计手册均是计算与试验的结果，又经国外工程应用，我认为是可以参考的。
（3）按澳大利亚AS/NZS4600：1996规范计算，由于本规范在国内无法律效应，很不普及也难以应用。
（4）门式刚架规程是按照欧洲规范EC3-ENV-1996规定的，也考虑了屋面蒙皮作用，假定为弹性地基的典型模型，又具有法律效应，比较合理，应该采用。但我们对照ENV1993-1-2：1996/AC提出以下问题，有些檩条计算程序也存在这些问题。
①规程[1]附录E中规定Ct1=130n是有特定条件的，根据文献[2]，只有在b =55~57，螺钉3~4个/m，而连接件（即板与檩条连接件）间距e =2br，屋面与檩条的连接刚度又因采用的隔热材料而削弱时，公式才适用。如果情况发生改变应按照etl=C100（b/100）来修正，C100取值参考表1.这里，b为屋面板翼缘宽度，br为波距（为185mm），螺钉直径￠=6.3mrn，面板厚≥0.66mm.
②对失稳承载力影响的还是计算长度。根据文献[2]，门式刚架规程中计算长度ey为拉条之间距离，应改为檩条自由翼缘承受压应力之长度，对于简支模条来说等于跨长l.这两种说法对模条失稳承载力影响十分大，ey=l时，门式刚架规程中针对拉条对檩条下翼缘失稳公式考虑屋面扭转约束的作用非常小，而从其他理论分析以及BHP设计手册和试验可知，拉条作用非常大。我们参考澳大利亚规范中的檩条计算，其ey 也是取拉条之间的距离。因此我们认为ey用拉条之间距离是合理的。
③规程CECS102：98关于抗扭弹簧刚度Ct的式（E.0.4-1）来自ENV1993-1-3：1996，存在明显的印刷错误，正确的表达应为下式：
Ct=1/（1/Ct1+1/Ct2）
④拉条的构造非常重要，根据BHP设计手册，拉条只用于>10.的屋面，且应拉在下翼缘边，并每隔一个问距用C形压杆顶住防止扭动，较平屋面只要求二个檩条之间用C形压杆顶住即可。因此檩条拉条布置绝不能按钢结构手册的布置，一定要保证拉条不动。为了验证拉条的作用，我们与天津大学在奥多公司资助下做了檩条下翼缘失稳的整体试验，试验中檩条间距2.5m，檩条跨度5.0m，中间加一根拉条。采用双跨屋面板带3根檩条做整体试验。
试验加载到23KN/m时由于檩条的拉条未拉住而提前破坏，破坏处正在拉条附近，扭转失稳破坏迹象明显，拉条的作用很明显，如果拉条不变形，承载力将提高很多。
我们根据以上4种设计方法进行计算对比，选用C254×76×20.6×2.4，跨度4.75m，间距2.5m的简支檩条（中间加拉杆），钢材屈服应力G450MPa，设计屈服应力0.9×450MPa，反算檩条标准线荷载q.
BHP、奥多、Stramit公司的檩条设计手册中选用c250×2.4，按l =4.8m查得：单跨q=5.07KN/m，双跨q=5.09 KN/m门式刚架规程计算结果：q=4.18KN/m；澳大利亚规范计算结果：q=4.21 KN/m；薄壁型钢规范计算结果较为保守。
以上计算结果说明，门式刚架规程及设计手册均是可以采用的，但希望尽快做足尺整体试验，不断积累数据，进一步提出合理公式。对于跨度较大的檩条，选用上海大通钢结构有限公司的高频焊接轻型H型钢来解决下翼缘失稳是经济合理的。