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轻钢结构的支撑系统若干设计问题探讨

发布于：2015-06-28 09:12:28 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

引言

在轻钢结构建筑中，支撑系统是结构的重要组成部分之一，设置支撑（屋面、柱间）是保证结构纵向稳定的重要结构体系。在安装阶段支撑系统作为保证结构侧向稳定的重要措施，将各结构构件连为稳定的整体，有利于施工安全。在使用阶段，其作为承受纵向风载或地震作用的受力构件，对整体结构起到至关重要的作用。

本文将对支撑的布置及设计方法提出笔者的观点，并探讨其对檩条设计的影响。

．支撑系统的布置原则

不同国家规范对不同结构的支撑系统在布置上有不同的要求及设计原则。比如：《AISI》[1]认为当考虑金属屋面或墙面板的蒙皮效应时，可减少或不设置支撑系统。我国《GB50017-2003》[2]，认为柱间支撑宜设置在厂房的温度区段的中间，而屋面支撑宜布置在厂房的端开间或第二开间。我国的《CECS102：2002》[3]，针对轻钢结构也提出了支撑系统的布置原则。

笔者认为，在每个温度区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系，对分期扩建的结构，尚应考虑扩建部分影响。屋面的横向支撑应优先布置在第一或第二开间，横向支撑间的距离宜取30~45m，且宜4~6个开间设置一道。

柱间支撑，无吊车时宜设置在有屋面支撑的同一开间，当因建筑功能影响，在不同开间设置时（如图2），应采取有效的措施，保证屋面支撑水平力的可靠传递，并应考虑安装阶段的结构整体稳定（如要求增加施工临时支撑等），且间隔不宜超过两个开间，当屋面横向支撑的宽度大于60m时，宜适当设置内列柱间支撑以减少屋面支撑的水平侧移(见图5)。当有吊车时，因吊车梁的刚度较大，此时下部柱间支撑宜设置在温度区段的中间以减少温度应力，当温度区段较长时，可在三分点处设置[3]，当温度区段长度为60~120m时，也可以在中间处连续设置两道，但受力分析时只考虑一道[6]，上部柱间支撑宜与屋面支撑设置在同一开间。

在设置了柱间支撑的柱列的柱顶及支撑的腹杆应布置刚性系杆，其它位置刚性系杆的设置应结合支撑计算模型假定及施工安装的条件综合确定。当结构计算考虑空间协同作用时应设置纵向水平支撑，在屋面的托梁或托架处应结合计算假定合理设置适当的纵向水平支撑。局部夹层的结构形式亦可采用图1所示的计算模型。

3．支撑构件属性定义与安装及计算模型假定的关联
支撑构件属性定义应结合计算模型的假定和安装阶段的验算进行。如图2中的支撑布置而言，第一和第二开间的系杆必须是刚性系杆，屋脊和檐口的系杆也必须是刚性系杆。其它系杆的属性则要区别对待，若设计屋面水平支撑时，考虑多道支撑共同承受水平荷载（如图2，为两道），则这些系杆将承受压力，故应为刚性系杆，同时在安装阶段这些杆件可作为屋面梁的平面外的支撑；若设计屋面水平支撑时，只考虑端部第一道支撑承受水平荷载，则这些系杆将不必考虑承受水平荷载，其仅作为中间刚架屋面梁的平面外的支撑，当端部两道支撑构成独立空间稳定结构的前提下，其可按柔性系杆设计，在安装阶段这些杆件不可作为屋面梁的平面外的支撑。

4．柱向支撑的形式
结合柱距、高度及使用条件等具体情况，柱间支撑可采用夹角为30°~ 60°的交叉支撑（按只拉构件设计的交叉支撑，斜拉杆与腹杆的夹角也可小于30°）、门型刚架支撑等多种形式（见图3）；当内列柱抽柱太多时，也可采用纵向刚架（见图4）。同一柱列宜采用同种形式的支撑，当采用空间计算模型整体分析，或平面计算模型但按刚度分配内力时亦可混合采用不同形式的柱间支撑。

．支撑系统的受力分析

轻钢结构的多道支撑均可考虑按刚度分配的原则参与受力，屋面水平支撑桁架的计算跨度应取柱间支撑的横向间距（见图5）。为合理确定在风荷载作用下各支撑杆件及系杆的内力，宜采用图6的计算模型，山墙一端为风压力，另一端为风吸力。在地震作用下，也宜按此模型进行内力分析，此时地震作用可按重力荷载代表值的大小进行分配。由此模型可以看出，不论是风荷载还是地震作用，均会对主体框架梁柱产生附加的轴力，当采用平面模型进行刚架结构分析时应考虑这一影响。

．檩条兼作压杆的设计

按上述模型我们可以得到压杆的轴力，但作为兼作压杆的檩条除满足一般檩条的功能外，尚应满足在此轴向力及弯距作用下按压弯构件计算的承载力及长细比等要求。一般檩条的设计均会考虑檩间支撑的作用，但正常的安装两者并不能同步进行，会有檩间支撑滞后的情况，这对考虑檩条兼作压杆的设计者须引起高度重视。

檩条轴向力的产生，是在纵向风荷载或地震作用下产生的。在纵向风荷载作用下，屋面同样存在风吸力及鼓风和吸风效应，任何仅考虑轴向力而忽略屋面风荷载影响的设计方法均是不妥的。同样在地震作用下产生的轴向力，对应的荷载工况应为重力荷载代表值的作用，将其与其他工况进行组合也是不妥的。

在檩条的设计中，对预留的吊挂荷载[3]，亦不可简单地作为恒载或活载考虑。在风荷载起控制时，不可考虑其作用效应，在重力荷载或地震作用起控制时，应考虑其作用效应。

．檩间支撑的设计

檩间支撑是保证檩条侧向稳定的重要构件。檩间支撑有如下几方面的作用：1，在安装阶段，可用于调整檩条平直度。2，在使用阶段，作为檩条的侧向约束，可减小檩条绕弱轴的的计算长度。3，传递由屋面荷载引起的沿檩条平面外的倾覆力，起到减小檩条侧向变形的作用。

檩间支撑可设计为刚性撑杆和柔性拉条两种。应将其设置在檩条受压翼缘附近（通常小于三分之一檩条高度），因此根据工程项目实际情况，可仅在檩条上（下）翼缘附近适当位置设置单层檩间支撑；也在檩条上下翼缘附近适当位置布置双层檩间支撑；当檩条跨度较小或屋面与檩条有可靠的连接并能阻止檩条的侧向变形时，在受力计算满足要求的前提下也可以不设置。檩间支撑可按等分的原则布置，也可采用不等分的原则布置，即弯矩较大处间距小一些，弯矩较小处间距大一些。根据文献[5]的介绍，连续檩条的反弯点也可作为一个特殊的支撑点，它可减少檩条的平面外计算长度，但不可传递由屋面荷载引起的沿檩条平面外的倾覆力。不论何种情况，檩间支撑布置尚应考虑施工阶段檩条的稳定性。

典型的柔性拉条布置如图7。此种布置在计算直拉条和斜拉条的内力时均应采用一个坡面的条件，按累积内力计算。典型的刚性撑杆布置可参图7，但斜拉条的布置方向应与图中相反，此时计算直拉条的内力时应采用一个坡面的条件，按累积内力计算，计算斜拉条的内力时应采用两个坡面的条件，按两个坡面的累积内力差计算。

8．结束话。
文中所诉观点及设计方法，依笔者经验及知识，未免有不正之处，供同仁指正与参考。