C型连续檩条的分析与探究

C型连续檩条的分析与探究

李琦 夏艳梅

中铁一院集团山东建筑设计院有限公司 山东省 青岛市 266000

摘要：随着我国经济的飞速发展和我国钢产量的稳步增长,国家对于钢结构工程发展的给予了大力支持，钢结构技术在国内得到了充分而广泛的应用，在轻钢结构领域更是得到了越来越多的普及。屋面檩条和墙面墙梁作为轻钢结构的重要结构构件，其用钢量在整体钢结构的用钢量中占比较大。本文将通过对檩条的优化设计，从而达到降低整体结构的用钢量，充分利用材料性能,降低工程造价，对工程建设提出一些设计方案和想法。以下内容，将通过对常用的C型檩条设计进行优化，提出两种C型连续檩条的计算方案并对其进行分析和比较，并提出两种C型连续檩条连接节点的做法,并对其中多跨静定梁计算模型下C型连续檩条的连接节点的位置进行分析。C型连续檩条相较于传统的简支檩条,不仅具有较好的力学性能，同时也具有比较好的经济性，在未来的建设活动中，C型连续檩条会有更好的发展空间。

关键词：C型连续檩条；计算方案；节点做法；性能比较

1.C型檩条作为连续檩条存在的优缺点

由于建筑的设备管道，门窗洞口，工艺要求，墙面和屋面往往需要开设洞口，对于斜卷边Z型檩条，由于一个面上存在斜面翼缘，使得门窗的开启和泛水板的设置比较困难，容易形成漏水的隐患。而C型檩条在这个问题上，由于其腹板垂直于翼缘，能够提供一个相对平整的结构面，C型檩条能够组成一个平整的洞口，不影响门窗的开启和泛水板的设置。在实际安装过程中，也由于其背面的平整性，可以避免像斜卷边Z型檩条，由于檩条的厚度和斜卷边，在搭接位置，螺栓孔错位，外翼缘突起，影响彩板安装等问题。

2. C型连续檩条的计算方案及比较

在传统的设计中，檩条常采用简支梁的计算模型，但这样的结构模型，材料的利用率偏低。本文根据目前现行规范及考虑C型檩条的自身特点，提出两种计算方案：连续多跨梁计算模型（图1）和多跨静定梁计算模型（图2）。

图1. 连续多跨梁计算模型

图2. 多跨静定梁计算模型

假设檩条截面均为冷弯卷边C型檩条，截面惯性矩均为I，所受的荷载为均布荷载 ，跨度均为 ，连续多跨梁选取跨数为3跨，多跨静定梁也选取跨数为3跨，多跨静定梁的连接位置为 。

2.1两种方案在均布荷载作用下的弯矩比较：

计算方案一: 连续多跨梁计算模型的弯矩图

图3. 连续多跨梁计算模型的弯矩图

计算方案二: 多跨静定梁计算模型的弯矩图

图4. 多跨静定梁计算模型的弯矩图

通过图3和图4可以发现，连续多跨梁计算模型和多跨静定梁计算模型的最大弯矩，均出现在支座处。相较于相同条件下，单跨简支檩条的最大弯矩值 。在连续多跨梁计算模型中，跨内最大弯矩值仅是简支檩条最大弯矩值的64%，支座处最大弯矩是简支檩条最大弯矩值的80%；在多跨静定梁计算模型中，跨内最大弯矩值仅是简支檩条最大弯矩值的63%，支座处最大弯矩是简支檩条最大弯矩值的75%。

2.2两种方案在均布荷载作用下的变形比较：

计算方案一: 连续多跨梁计算模型的扰度变形图

图5. 连续多跨梁计算模型的扰度

计算方案二: 多跨静定梁计算模型的扰度变形图

图6. 多跨静定梁计算模型的扰度

通过静力学计算，从图5和图6上可以发现，连续多跨梁计算模型和多跨静定梁计算模型的最大挠度变形量，分别为 和 ，是在相同条件下，单跨简支梁计算模型的最大扰度值（ ）的51.5%和53.8%。两种方案几乎没有太大的差异，都对变形的控制起到了较好的效果，都相对于传统的单跨简支梁计算模型变形量的一半，能够是结构的在刚度上得到较大的提升。

通过上述的计算分析，无论是连续多跨梁计算模型下的檩条，还是多跨静定梁计算模型下的檩条，都通过改变结构的受力模式，将作用在檩条上的效应更加合理的分布在结构的各个截面上，让檩条的强度和变形得到较好的改良，使材料的性能更加充分的得到利用。在效应计算上，多跨静定梁计算模型的数值计算，对于檩条的材料性能的发挥更加优异。

3.C型连续檩条的连接节点

C型檩条是由钢带经过冷加工成形的一种型材，钢带由钢厂加工而成，长度往往能够有几百米，但限于运输条件，现场情况和安装条件，连续檩条无法做到无限的长度。为了使C型连续檩条能够在工程实践中得到较好的运用，采用一个合适的连接节点就尤为重要。本文提出几种连接形式，以供讨论。

3.1第一种嵌套节点：

图7. 嵌套连接节点

该节点采用类似于H型梁梁拼接节点，在连接节点位置嵌套一个截面宽度和高度小一个板厚的檩条，通过平头螺栓连接起来。由于檩条为冷加工的钢带，要考虑防腐，在外表往往采用镀锌处理，再加上考虑现场安装，连接节点要适当考虑一定的安装缝隙，所以被连接位置无法做到紧密，被连接构件无法通过彼此间的摩擦力来传递内力，被连接构件之间的内力只能通过螺栓杆和螺栓孔的受压面来传递。由于檩条一侧的翼缘需要与彩板打钉连接，所以翼缘处的连接通过平头螺栓来连接，这样能保证翼缘面的平整度，不至于由于螺栓，形成凸起点，影响彩板的安装。这里的连接所用的连接件，要考虑结构刚度的变化问题，由于连接件要小于檩条的截面高度，所以为了保证节点处的刚度不小于檩条，要适当增加连接件的厚度，使连接节点的刚度得到保证。

3.2第二种夹板式铰接连接节点：

图8. 夹板式铰接连接节点：

该节点主要适用于多跨静定梁计算模型的檩条端头连接节点。根据多跨静定梁计算模型，中间的檩条为简支梁模式计算，檩条端头需要与中间檩条铰接连接，本节点采用两个小C型檩条夹着檩条的腹板，通过螺栓连接。由于檩条的连接位置在腹板处，所以此处不需要考虑平整度问题，可以采用普通螺栓进行连接。中间段的檩条是连接在悬臂檩条上的，由于悬臂檩条本身刚度较弱，不能形成较强的支座，为了保证檩条不至于在连接节点处形成薄弱点，必须考虑此连接节点的抗扭刚度，又考虑到现场安装施工的方便性，所以此处考虑采用两个小C型檩条进行连接，这样一方面能够增强连接节点处的抗扭刚度，另一方面也能方便现场的安装。此处还需要考虑一点，就是安装螺栓群的在节点扭矩左右下的受力问题，所以此处宜设置两排螺栓。

4.多跨静定梁计算模型下C型连续檩条的连接节点的断点位置

多跨静定檩条模型能够起到相较于简支檩条，减小扰度，减小内力的效果，起到较好的经济性。通过静力学分析，该模型的受力情况，可以分解为两个受均布荷载和悬臂端受集中荷载的伸臂梁模型，和一个受均布荷载的简支梁模型。如图9。考虑支座位置都相等，采用相同的截面规格，为了使材料的利用率得到最大化，那么可以将伸臂梁所受到最大弯矩等同于简支梁所受的最大弯矩。假设，所有支座的距离为L，伸臂檩条的悬臂长度为Xl，檩条上的均布荷载为 ，则简支梁模型的最大弯矩为

伸臂梁模型的最大弯矩为

令 即：

_解得：

_{经分析可以得出，当悬臂长度为0.854倍的支座距离时，为另一端伸臂梁的悬臂长度0.146倍的支座距离。即当悬臂长度为0.146倍的支座距离时，则檩条的截面使用率最高。当悬臂的长度小于0.146倍的支座距离时，则伸臂梁的最大弯矩小于简支檩条的最大弯矩值；当悬臂的长度大于0.146倍的支座距离时，则伸臂梁的最大弯矩大于简支檩条的最大弯矩值。通过上述计算，可以通过节点位置，对多跨静定梁计算模型下C型连续檩条的最大弯矩的计算，进行初步的截面估算，提高设计效率。}

图9. 多跨静定梁计算模型分解示意图

根据目前现行设计规范《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002的相关规定，为了保证檩条的构造，檩条跨度大于4米时，宜在跨中位置设置拉条；檩条跨度大于6米时，宜在跨度的三分之一点位置设置拉条；檩条跨度大于9米时，宜在跨度的四分之一点位置设置拉条；檩条跨度大于12米时，宜在跨度的五分之一点位置设置拉条。结合最佳的悬臂长度，对常用的檩条跨度进行分析，如下表1。

表1.檩条节点位置及拉条位置

通过表格，可以看出最佳的连接节点位置均在第一道的拉条设置范围内，故多跨静定梁计算模型下C型连续檩条的连接节点的断点位置，可以通过计算，设置在悬臂长度为0.146倍的支座位置上。通过此位置的设置，可以最大的利用截面的性能，达到比较好的经济性。

5.结 语

综上所述，C型连续檩条是一种经济性能比较优越的一种结构形式，该种檩条计算模式，相较于C型简支计算模式，能够比较有效的降低檩条在外部荷载作用下，所产生的内力，同时也有效的降低了外部荷载作用下产生的变形，对于外形要求精度比较高的建筑有更好的优势。C型檩条本身由于腹板是垂直于翼缘的，在门洞，窗洞等位置，能够形成平整的洞口，有利于泛水板等结构件的设置，也会有较好的建筑效果。本文提出了两种连接节点形式，分别对应于两个不同连续檩条计算模式，为C型檩条在实际工程中提供一个参考方案。通过对多跨静定梁计算模型下C型连续檩条的连接节点位置的分析，提出了最佳伸臂梁的悬臂长度的计算方案，并通过拉条位置，说明了其具有的可行性。

参考文献：

【1】GB51022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[s].北京：中国建筑工业出版社2015

【2】GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构设计规范》[s].北京：中国计划出版社 2003

【3】建筑结构静力计算实用手册（第二版）北京：中国建筑工业出版社，2014