1.引言
在輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中，支撐系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，設(shè)置支撐（屋面、柱間）是保證結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)體系。在安裝階段支撐系統(tǒng)作為保證結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定的重要措施，將各結(jié)構(gòu)構(gòu)件連為穩(wěn)定的整體，有利于施工安全。在使用階段，其作為承受縱向風(fēng)載或地震作用的受力構(gòu)件，對(duì)整體結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的作用。
本文將對(duì)支撐的布置及設(shè)計(jì)方法提出筆者的觀點(diǎn)，并探討其對(duì)檁條設(shè)計(jì)的影響。
2．支撐系統(tǒng)的布置原則
不同國家規(guī)范對(duì)不同結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)在布置上有不同的要求及設(shè)計(jì)原則。比如：《AISI》[1]認(rèn)為當(dāng)考慮金屬屋面或墻面板的蒙皮效應(yīng)時(shí)，可減少或不設(shè)置支撐系統(tǒng)。我國《GB50017-2003》[2]，認(rèn)為柱間支撐宜設(shè)置在廠房的溫度區(qū)段的中間，而屋面支撐宜布置在廠房的端開間或第二開間。我國的《CECS102：2002》[3]，針對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)也提出了支撐系統(tǒng)的布置原則。
筆者認(rèn)為，在每個(gè)溫度區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系，對(duì)分期擴(kuò)建的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)考慮擴(kuò)建部分影響。屋面的橫向支撐應(yīng)優(yōu)先布置在第一或第二開間，橫向支撐間的距離宜取30~45m，且宜4~6個(gè)開間設(shè)置一道。
柱間支撐，無吊車時(shí)宜設(shè)置在有屋面支撐的同一開間，當(dāng)因建筑功能影響，在不同開間設(shè)置時(shí)（如圖2），應(yīng)采取有效的措施，保證屋面支撐水平力的可靠傳遞，并應(yīng)考慮安裝階段的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定（如要求增加施工臨時(shí)支撐等），且間隔不宜超過兩個(gè)開間，當(dāng)屋面橫向支撐的寬度大于60m時(shí)，宜適當(dāng)設(shè)置內(nèi)列柱間支撐以減少屋面支撐的水平側(cè)移(見圖5)。當(dāng)有吊車時(shí)，因吊車梁的剛度較大，此時(shí)下部柱間支撐宜設(shè)置在溫度區(qū)段的中間以減少溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度區(qū)段較長時(shí)，可在三分點(diǎn)處設(shè)置[3]，當(dāng)溫度區(qū)段長度為60~120m時(shí)，也可以在中間處連續(xù)設(shè)置兩道，但受力分析時(shí)只考慮一道[6]，上部柱間支撐宜與屋面支撐設(shè)置在同一開間。
在設(shè)置了柱間支撐的柱列的柱頂及支撐的腹桿應(yīng)布置剛性系桿，其它位置剛性系桿的設(shè)置應(yīng)結(jié)合支撐計(jì)算模型假定及施工安裝的條件綜合確定。當(dāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮空間協(xié)同作用時(shí)應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐，在屋面的托梁或托架處應(yīng)結(jié)合計(jì)算假定合理設(shè)置適當(dāng)?shù)目v向水平支撐。局部夾層的結(jié)構(gòu)形式亦可采用圖1所示的計(jì)算模型。
3．支撐構(gòu)件屬性定義與安裝及計(jì)算模型假定的關(guān)聯(lián)
支撐構(gòu)件屬性定義應(yīng)結(jié)合計(jì)算模型的假定和安裝階段的驗(yàn)算進(jìn)行。如圖2中的支撐布置而言，第一和第二開間的系桿必須是剛性系桿，屋脊和檐口的系桿也必須是剛性系桿。其它系桿的屬性則要區(qū)別對(duì)待，若設(shè)計(jì)屋面水平支撐時(shí)，考慮多道支撐共同承受水平荷載（如圖2，為兩道），則這些系桿將承受壓力，故應(yīng)為剛性系桿，同時(shí)在安裝階段這些桿件可作為屋面梁的平面外的支撐；若設(shè)計(jì)屋面水平支撐時(shí)，只考慮端部第一道支撐承受水平荷載，則這些系桿將不必考慮承受水平荷載，其僅作為中間剛架屋面梁的平面外的支撐，當(dāng)端部兩道支撐構(gòu)成獨(dú)立空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的前提下，其可按柔性系桿設(shè)計(jì)，在安裝階段這些桿件不可作為屋面梁的平面外的支撐。
4．柱向支撐的形式
結(jié)合柱距、高度及使用條件等具體情況，柱間支撐可采用夾角為30°~ 60°的交叉支撐（按只拉構(gòu)件設(shè)計(jì)的交叉支撐，斜拉桿與腹桿的夾角也可小于30°）、門型剛架支撐等多種形式（見圖3）；當(dāng)內(nèi)列柱抽柱太多時(shí)，也可采用縱向剛架（見圖4）。同一柱列宜采用同種形式的支撐，當(dāng)采用空間計(jì)算模型整體分析，或平面計(jì)算模型但按剛度分配內(nèi)力時(shí)亦可混合采用不同形式的柱間支撐。
5．支撐系統(tǒng)的受力分析
輕鋼結(jié)構(gòu)的多道支撐均可考慮按剛度分配的原則參與受力，屋面水平支撐桁架的計(jì)算跨度應(yīng)取柱間支撐的橫向間距（見圖5）。為合理確定在風(fēng)荷載作用下各支撐桿件及系桿的內(nèi)力，宜采用圖6的計(jì)算模型，山墻一端為風(fēng)壓力，另一端為風(fēng)吸力。在地震作用下，也宜按此模型進(jìn)行內(nèi)力分析，此時(shí)地震作用可按重力荷載代表值的大小進(jìn)行分配。由此模型可以看出，不論是風(fēng)荷載還是地震作用，均會(huì)對(duì)主體框架梁柱產(chǎn)生附加的軸力，當(dāng)采用平面模型進(jìn)行剛架結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)考慮這一影響。
6．檁條兼作壓桿的設(shè)計(jì)
按上述模型我們可以得到壓桿的軸力，但作為兼作壓桿的檁條除滿足一般檁條的功能外，尚應(yīng)滿足在此軸向力及彎距作用下按壓彎構(gòu)件計(jì)算的承載力及長細(xì)比等要求。一般檁條的設(shè)計(jì)均會(huì)考慮檁間支撐的作用，但正常的安裝兩者并不能同步進(jìn)行，會(huì)有檁間支撐滯后的情況，這對(duì)考慮檁條兼作壓桿的設(shè)計(jì)者須引起高度重視。
檁條軸向力的產(chǎn)生，是在縱向風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生的。在縱向風(fēng)荷載作用下，屋面同樣存在風(fēng)吸力及鼓風(fēng)和吸風(fēng)效應(yīng)，任何僅考慮軸向力而忽略屋面風(fēng)荷載影響的設(shè)計(jì)方法均是不妥的。同樣在地震作用下產(chǎn)生的軸向力，對(duì)應(yīng)的荷載工況應(yīng)為重力荷載代表值的作用，將其與其他工況進(jìn)行組合也是不妥的。
在檁條的設(shè)計(jì)中，對(duì)預(yù)留的吊掛荷載[3]，亦不可簡(jiǎn)單地作為恒載或活載考慮。在風(fēng)荷載起控制時(shí)，不可考慮其作用效應(yīng)，在重力荷載或地震作用起控制時(shí)，應(yīng)考慮其作用效應(yīng)。
7．檁間支撐的設(shè)計(jì)
檁間支撐是保證檁條側(cè)向穩(wěn)定的重要構(gòu)件。檁間支撐有如下幾方面的作用：1，在安裝階段，可用于調(diào)整檁條平直度。2，在使用階段，作為檁條的側(cè)向約束，可減小檁條繞弱軸的的計(jì)算長度。3，傳遞由屋面荷載引起的沿檁條平面外的傾覆力，起到減小檁條側(cè)向變形的作用。
檁間支撐可設(shè)計(jì)為剛性撐桿和柔性拉條兩種。應(yīng)將其設(shè)置在檁條受壓翼緣附近（通常小于三分之一檁條高度），因此根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況，可僅在檁條上（下）翼緣附近適當(dāng)位置設(shè)置單層檁間支撐；也在檁條上下翼緣附近適當(dāng)位置布置雙層檁間支撐；當(dāng)檁條跨度較小或屋面與檁條有可靠的連接并能阻止檁條的側(cè)向變形時(shí)，在受力計(jì)算滿足要求的前提下也可以不設(shè)置。檁間支撐可按等分的原則布置，也可采用不等分的原則布置，即彎矩較大處間距小一些，彎矩較小處間距大一些。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的介紹，連續(xù)檁條的反彎點(diǎn)也可作為一個(gè)特殊的支撐點(diǎn)，它可減少檁條的平面外計(jì)算長度，但不可傳遞由屋面荷載引起的沿檁條平面外的傾覆力。不論何種情況，檁間支撐布置尚應(yīng)考慮施工階段檁條的穩(wěn)定性。
典型的柔性拉條布置如圖7。此種布置在計(jì)算直拉條和斜拉條的內(nèi)力時(shí)均應(yīng)采用一個(gè)坡面的條件，按累積內(nèi)力計(jì)算。典型的剛性撐桿布置可參圖7，但斜拉條的布置方向應(yīng)與圖中相反，此時(shí)計(jì)算直拉條的內(nèi)力時(shí)應(yīng)采用一個(gè)坡面的條件，按累積內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算斜拉條的內(nèi)力時(shí)應(yīng)采用兩個(gè)坡面的條件，按兩個(gè)坡面的累積內(nèi)力差計(jì)算。
8．結(jié)束話。
文中所訴觀點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法，依筆者經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)，未免有不正之處，供同仁指正與參考。
參考文獻(xiàn)
[1]American Iron and Steel Institute.
[3]《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）.
[5]Cold-Formed Steel Design(American Yu.W.W).
[6]Design Practice Letters(Butler).
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