在轻钢屋面支撑体系中,刚性系杆用于承担和传递风荷载、地震荷载和悬挂吊车刹车力、保证屋面结构整体稳定性的重要作用。通常情况下,刚性系杆的轴力较小,以长细比要求作为设计控制条件。由于门式刚架屋面梁的负弯矩区存在稳定问题,通常需要借助隅撑或系杆等方法来提高其稳定性。小编在之前的“隅撑-檩条结构对轻钢屋面梁的约束作用”、“系杆间距作为轻钢屋面梁的平面外计算长度,就一定安全吗?”等文章中对相关问题进行过讨论。
需要说明的是,本文的推导出于个人对结构稳定和相关规范条文的理解,如有不当之处,还请各位专家指正。
计算假定
强度要求
由《门刚规范》确定隅撑内力的方法可以获得系杆所需承受的 屋面梁 负弯矩区下翼缘的侧向荷载为:
其中 A f 为下翼缘的面积。
因此,每根系杆受到的弯矩大小为:
采用此弯矩验算系杆端部的螺栓连接的承载能力,当采用两颗螺栓连接时,每颗螺栓承受的剪力大小为( d 为螺栓间距):
刚度要求
对刚性系杆的抗弯刚度要求,我国规范目前并没有明确的依据。《门刚规范》在确定隅撑内力取值时,将屋面梁的整体失稳看成受压翼缘的平面外弯曲失稳,其中在确定隅撑内力时假定屋面梁的下翼缘全部屈服(即达到强度条件),本文的下面推导过程也是基于这一思路。根据童根树教授的《钢结构的平面内稳定性》可知,长度为 2 l 的两端铰接柱,中间侧向支撑的门槛刚度为:
其中 F El 是长度为 l 的压杆的临界荷载(此处约为系杆间距)。可见,侧向支撑的刚度要求与柱子的轴力相关,轴力越大,对支撑的刚度要求越高。同样,假定屋面梁达到强度条件,此时下翼缘进入屈服,即:
其中 A f 为下翼缘的面积,代入可得
上式的支撑门槛刚度与 l 相关,考虑到屈服是 屋面梁 下翼缘可能受到的最大轴向荷载。当计算长度为 l 矩形截面柱(即下翼缘绕平面外)的临界荷载等于其屈服荷载时,可得此时 l =26.85 b f (235/ f y )^0.5 ,代入可得
上式即为屋面梁下翼缘所需的侧向支撑刚度。假定屋面梁失稳时绕上翼缘扭转(或檩条截面中心),将对下翼缘的侧向支撑刚度换算成屋面梁所需的扭转约束刚度为:
其中 h 为屋面梁下翼缘与上方侧向约束点的距离(图1中 e ),可取截面高度或截面高度 檩条一半高度。
假定系杆中的轴力很小,根据结构力学转角位移方程可知,当系杆端部截面发生转角
其中 i b 为系杆的线刚度 EI / L ( L 为系杆长度)。
当系杆作为屋面梁的平面外支座时,要求系杆提供的转动刚度不小于屋面梁所需门槛转动约束刚度,可得:
上式即为屋面梁对系杆约束的刚度要求。
将上式应用于实际工程时,还需要考虑2~3倍的安全系数,比如GB50017-2017判断强支撑框架的8.3.1-6式采用了约3倍的安全系数。本文同样取安全系数约等于3,同时取钢材的设计强度,则可以得到最后表达式为:
典型算例
某门式刚架结构,柱距为8m,屋面梁变截面段长度为8m,截面为(800~550)x250x6x10,材料为Q355;系杆间距为7.5m,截面为108x3的圆管,材料为Q235;系杆端部与屋面梁的采用两颗8.8级的M16高强螺栓连接,间距 d 为100mm,节点板厚6mm(Q355)。参考《钢结构设计手册第四版》,取距离端部3倍檩距位置的屋面梁截面作为对系杆强度和稳定性的验算条件,此处屋面梁截面高度为660mm(也可偏安全地取最大截面位置)。
2. 连接节点验算
上有误:Nv=39.2足要求
本文小结
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钢结构工程
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只看楼主 我来说两句作为轻钢屋面梁支撑的刚性系杆的强度和刚度要求,谢谢楼主分享好资料谢谢。
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作为轻钢屋面梁支撑的刚性系杆的强度和刚度要求,谢谢楼主分享好资料谢谢。
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