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冷弯薄壁截面檩条的拉条可能没有那么有效

发布于：2024-07-08 13:42:08 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

我国《冷弯薄壁型钢规范》 GB50018 的 8.2.3 条文说明指出，当风吸力作用下，实腹式檩条下翼缘受压时，可以布置靠近下翼缘的拉条作为侧向支撑点，用于强度和整体稳定性验算。但是，在实际工程中，条文中 “ 靠近下翼缘 ” 并未引起部分设计人员的足够重视。特别是，在部分光伏支架结构中，可能是为了便于标准化生产和安装，在许多案例中发现将拉条设置在檩条截面的腹板中间。

本文借这个问题对薄壁截面檩条中拉条的有效性，以及对檩条受力性能可能产生的影响进行讨论。

拉条的有效刚度

浙江大学的童根树教授通过研究发现，拉条与冷弯薄壁型钢截面檩条的腹板连接后，檩条腹板的局部变形对拉条的刚度削弱明显（图 2 ）。

在大量研究的基础上，提出拉条的有效刚度的计算公式：

k_{\mathrm{w}}=\frac{13Et^{3}}{h^{2}\left(1-\cos2\pi\xi\right)^{0.65\left(\xi^{2}-\xi+1.25\right)}}\Bigg[1-25\Bigg(\frac{t}{h}\Bigg)^{1.5}\Bigg]

对于一般采用的 10mm 圆钢，檩条间距为 1.5m ，拉条的轴心抗拉刚度即为 k _s =10780N/mm 。如果考虑檩条截面的局部变形后，拉条的有效刚度 k _w 将大大减小（图 3 ）。

拉条作用沿着多道檩条的衰减现象

通常情况下，位于两个单向桁架之间布置有多道平行檩条，拉条需要对其中的平行檩条提供约束作用。由于拉条只能承受拉力，因此对于任一方向的檩条变形，只有其中一侧的单向桁架起作用。

此时，除了檩条本身变长引起的刚度下降外，还会由于檩条两侧的拉条在截面腹板上的错位布置引起的局部变形，对拉条长度方向的传力能力产生显著的影响。研究发现，檩条两侧拉条的错位距离越大，对拉条有效性的影响越明显。

由图 6 可以发现，以第 1 根拉条为基准，第 i 根拉条的有效性快速下降：第 6 根约为第 1 根拉条的 10% ，第 10 根约为 2% ，第 20 根约为 0.05% 。由于实际工程中，门式刚架跨度大，一般两个单向桁架之间的檩条数量众多，因此必须重视拉条用于多道檩条时的这种衰减效应。

拉条的有效刚度对檩条强度的影响

根据欧洲规范 EC3 ，檩条下翼缘强度验算除了考虑平面内的弯曲应力外，还需要叠加截面扭转产生的等效应力：采用假想水平力，作用于檩条下翼缘 +1/5h 高度的腹板截面组成的等效截面，计算绕其自身轴的弯曲应力。

当拉条不能作为檩条的平面外刚性支撑时，会对檩条下翼缘等效截面的平面外等效弯矩产生影响，从而影响等效弯矩产生的弯曲应力（图 8 ）。

拉条的有效刚度对檩条稳定性的影响

当作用风吸力时，简支檩条的自由下翼缘受压，可能发生整体失稳。如果拉条能够提供足够的平面外支撑刚度，那么拉条的间距就可以作为檩条下翼缘稳定验算的计算长度（图 9 ）。

图 10 中对 4m 跨度简支檩条 C200x70x20x2.0 中间设置一道拉条时的整体失稳临界荷载进行了分析。可以发现，当拉条刚度较小时（约小于 200N/mm ）时，檩条发生单波屈曲失稳，当拉条刚度大于门槛刚度时，檩条发生两个半波失稳。对于所计算的算例，所需的门槛刚度大小约为圆钢拉条本身轴向刚度 10780N/mm 的 2% 。虽然，看上去所需的拉条门槛刚度很小，但是比较图 3 结果可以发现，当拉条位于檩条腹板中间时，对于该檩条截面，拉条的有效刚度约为 k _s 的 3% ，如果考虑多道檩条的衰减效应（图6），从第 2 根檩条开始，拉条的有效刚度就已经低于 2% ，也就意味着已经出现支撑刚度不足的现象。