应从三维视角看轻钢屋面的支撑体系

轻钢屋面的支撑体系主要由屋面水平支撑（一般圆钢）、系杆（刚性或柔性）组成，主要用于抵抗屋面水平荷载、保证屋面的稳定性和整体性，是轻钢结构的重要组成部分。小编在前面已经多次讨论过屋面檩条、隅撑和屋面梁等构件的受力性能，本文主要从较为宏观角度讨论轻钢屋面的支撑体系。  

从二维角度看屋面的支撑体系  

如将轻钢屋面看成一个平面，那么左右两端部榀格就可以看成是两个支撑架，支撑架的两端支承于柱间支撑顶部。因此，对于两端部榀格之间的中间榀刚架梁来说，系杆连接位置由于左右变形被均柔性系杆（只拉不压）或者刚性系杆（可拉可压）约束，因此可以看成是屋面梁的铰接支座。如果将所有构件都看成是平面线单元，那么屋面梁在荷载作用下只能发生节间的弯曲变形，计算长度可以取系杆间距（图 2 ）。从图 1 和图 2 可以看出，在平面线单元的假定下，屋面体系的传力非常清晰，屋面支撑与柱间支撑较为类似（荷载不同）。  

屋面体系的三维属性  

上文的二维模型中隐含着两个假定：不考虑构件的扭转，所有支撑和系杆均作用于构件的形心。但是，这两个假定对于轻钢屋面结构来说是不符合实际情况的：屋面梁在弯矩作用下可能发生扭转变形和弯扭屈曲；屋面的水平支撑相对于屋面梁一般存在偏心。

屋面梁在弯矩作用下可能发生弯扭失稳，对于正弯矩区来说，屋面板的蒙皮效应可以有效约束屋面梁的侧向位移，稳定性有保障，但是对于负弯矩区屋面梁来说，其稳定性就需要依靠支撑体系或隅撑等构造。因此，不能仅从平面二维的角度去看待屋面体系，屋面支撑也不能仅用于保证二维平面的稳定性，还需要在三维空间中保证屋面梁不发生扭转和弯扭失稳。

屋面支撑体系的建议  

为了保证水平支撑的横向分力直接传到刚性系杆，尽量保证支撑榀格内的水平支撑与刚性系杆设置在同一高度，以及屋面梁横向加劲肋的通高设置（图3）。否则，水平斜支撑的横向分力会导致屋面梁截面受扭以及系杆受弯。

（ 1 ）屋面檩条兼做柔性系杆

如图 4 所示，当屋面檩条兼做柔性系杆时，对于负弯矩区的屋面梁来说，由于檩条无法对受压下翼缘提供有效约束，因此支撑榀格的刚性系杆无法通过檩条传递其支撑作用，屋面梁可能存在弯扭失稳。此时，可以通过设置隅撑来为屋面梁的受压下翼缘提供约束作用，从而减小计算长度。计算方法可见小编前面的《 隅撑 - 檩条结构对轻钢屋面梁的约束作用 》。  

（2）设置通长刚性系杆

当沿纵向采用通长刚性系杆时，系杆端部与屋面梁的横向加劲肋之间采用刚性连接（即两个螺栓以上），此时系杆可以为屋面梁受压下翼缘提供有效约束，因此系杆可以作为屋面梁的平面外刚性支撑点（即计算长度可取系杆间距）。如果需要进一步提高屋面梁负弯矩区的稳定性，可以通过设置如图 4 所示的隅撑。需要注意的是，屋面梁的横向加劲肋必须通高，否则可能发生如图 5 所示的畸变屈曲。  

如果刚性系杆与屋面梁采用铰接（如一颗螺栓），此时两端铰接的刚性系杆会因为转动而无法为屋面梁提供扭转约束（图 6 ），因此当然也无法防止屋面梁负弯矩区弯扭失稳的发生。  

刚性系杆连接和承载能力验算  

刚性系杆按照（2）与屋面梁连接后，需要验算与屋面梁螺栓连接节点的抗扭承载力以及系杆本身的承载能力。根据《门规》隅撑内力的计算方法可知，屋面梁下翼缘扭转产生的力为 F （图7），因此可得当个螺栓受到的剪力大小 N _v ， 刚性系杆受到的附加弯矩 M _f ， 此时系杆应按照压弯构件验算承载能力。

本文小结  

许多设计人员认为轻钢屋面的稳定性依靠系杆和支撑，如果从三维的角度去考虑，这句话是不充分的。由于屋面梁会发生弯扭失稳、支撑和系杆可能与屋面梁存在偏心等原因，我们必须在此基础上采取一定的构造措施来保证系杆对于负弯矩区屋面梁稳定性的作用，同时也可以采用隅撑来进一步减小计算长度。  

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