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【摘 要】随着我国工业的快速发展和钢结构技术的进步与更新，门式刚架轻型房屋钢结构(以下简称“门式刚架”) 逐渐取代了传统的钢筋混凝土排架结构或砖排架结构，尤其是大型工业厂房的结构设计。在门式刚架的设计各个环节中，屋面及墙面檩条的设计选用尤为重要，本文将针对门式刚架结构冷弯薄壁型钢檩条在不同材料强度、不同跨度、不同构造形式下的各项工作性能进行了计算分析，为今后的工程应用提出了一些看法，愿与同行商榷。
【关键词】门式刚架 ；檩条；构造形式
On the portal frame light steel purlin design houses
Li Shu-gang,Zhang Zhi-yong,Han Xi-juan
(New to the nuclear industry Nuclear Engineering Co., Ltd Taiyuan Shanxi 030012)
【Abstract】With China's rapid industrial development and technological progress and update steel, steel portal frame light housing (hereinafter referred to as "portal frame") gradually replaced the traditional structure of reinforced concrete or brick bent bent structure, especially in the structural design of large industrial plants. In the portal frame in every aspect of the design, roof and wall purlins design choice is particularly important, this paper will focus on the door frame structure in cold-formed steel purlins strength of different materials, different spans, each under different structural forms task performance were calculated and analyzed for future engineering applications put forward some views, willing to work with peer discussion.
【Key words】The door frame;Purlins;Structure in the form
1. 引言
门式刚架优点主要体现在：主要构件和配件可实现工厂批量生产，建设周期短；自重轻（在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土排架结构的1/20~1/30）、地基处理费用低、抗震性能好；用钢量低、经济效益高（门式刚架的平米用钢量约为钢筋混凝土排架结构的1/4~1/7）；柱网布置灵活，可形成大空间、大跨度；建筑外型新颖美观，易维护、拆迁、改造等特点。门式刚架凭借其诸多优点，逐渐在建筑领域占据一定地位，它广泛适用于厂房、库房、展览厅、体育馆及加层建筑等工程领域，人们普遍认为大有发展前景。
然而，在门式刚架的结构设计过程中，屋面与墙面檩条的设计往往被设计人员所轻视，屋面与墙面檩条同门式刚架的梁、柱一样是重要的承重结构构件，其用钢量却占整个工程总用钢量的30%左右。因此，针对屋面与墙面檩条进行设计升级和设计优化越来越受到业界的重视。
2. 常用檩条形式
在具体的工程设计中，常用的檩条有以下三种形式：
（1）实腹式冷弯薄壁卷边槽钢（C型）檩条。
（2）高频焊接轻型H型钢檩条。
（3）实腹式冷弯薄壁卷边Z型钢檩条。
3. 檩条计算及分析比较
对采用不同材料强度（Q235、Q345）钢材的简支单跨檩条和连续多跨檩条分别进行计算分析，根据计算结果对用钢量及工程造价进行比较，为今后的工程实施提供数据参考。
4. 多跨连续檩条计算
4.1 据有关资料显示：Z型多跨连续檩条在支座搭接处由于嵌套区存在一定程度的松动，导致弯矩释放，根据试验情况，支座处的弯矩释放以10%为宜。因此Z型连续嵌套搭接檩条达不到等截面连续梁的效果。这样支座处的弯矩小于等截面连续梁的弯矩值，而跨中弯矩则大于等截面连续梁的弯矩值。同样，檩条的实际挠度也大于等截面连续梁的理论计算挠度。
4.2 在连续檩条的有关研究方面，国外很多钢结构公司已取得了一定的成果。如美国巴特勒公司开发有自己的设计软件，其计算采用了简化的模式，按等截面连续梁计算，他们自1992年进入国内市场以来，在全国各地开展各项工业与民用建筑达900多项，具有丰富的工程实践经验，因此他们在连续檩条方面的设计思路和设计理论可值得我们借鉴，有其合理性和可适用性。
4.3 然而，我国现有钢结构设计规范、规程对连续檩条计算尚无一个简单而又完善的计算方法，仅在《钢结构设计手册》中提到多跨连续檩条弯矩近似取值：对相关的计算方法和节点构造措施均未加以明确。还比如：目前我国普遍使用的PKPM（2011版）设计软件中虽然涉及到了计算多跨连续檩条的模块，其中包括连续檩条支座处的搭接长度、支座双檩条连接的刚度折减和支座双檩条连接的弯矩调幅等设置项，但也没有明确说明。
4.4 因此，在多跨连续檩条设计中，设计人员可结合国内相关研究报告及国外钢结构公司成熟的设计理论采用支座搭接的形式对檩条进行计算分析。采取的构造措施：按照边跨不小于跨度的12%、中间跨不小于跨度的10%设置搭接长度；搭接范围内不考虑双檩条的刚度；考虑支座处的弯矩释放。Z型檩条在端跨连续的连接与Z型檩条在中间跨连续的连接如图1、图2所示。
5. 工程实例分析
为了对檩条在不同材料强度、不同跨度、不同构造形式下各项工作性能这个问题有一清晰的描述，笔者选用两组案例来说明。
5.1 例一：分别选用Q235和Q345钢材，对简支单跨冷弯薄壁卷边槽钢（C型）檩条的平米用钢量和平米造价进行比较。
若要提高檩条的承载能力，满足强度和稳定性的要求，可通过两种途径解决。第一种：增大檩条截面，提高构件截面模量；第二种：增大钢材钢号，提高材料强度。通过计算，比较两种不同途径下檩条的平米用钢量和平米造价的区别，计算结果详见表1。
从表1数据中可以发现：跨度为6.0m和7.5m的檩条采用Q345时，平米用钢量与采用Q235相比减少约15%和25%，虽然在单价上Q345比Q235高，但市场行情反应二者价格相差甚微，仅比Q235高出不到4%。综合考虑，选用Q345平米造价要比选用Q235节省约13%和20%。
因而，工程实践中，当檩条仅需满足构造要求时选择Q235即可，当檩条为强度控制时，采用Q345钢材或强度更高的低合金钢材，不仅可以最大效率地发挥高效钢材的优势，而且还可以降低平米用钢量和工程造价。
5.2 例二：选用Q345钢材，对简支单跨与连续多跨斜卷边Z型檩条的平米用钢量和平米造价进行比较。
5.2.1 对相同荷载、相同檩条截面（XZ250x75x20x2.0）条件下，简支单跨檩条与连续多跨檩条的变形能力及极限承载能力进行比较分析。
通过表2、表3的结果不难发现，在相同荷载条件下，简支檩条挠度变形量31.542mm要远大于连续檩条最大挠度变形量19.014mm；通过强度应力 反算可知，连续檩条的极限承载能力要远大于简支檩条。
5.2.2 相同荷载条件下，檩条跨度为7.5m，强度应力比控制在0.9，优选檩条截面，对简支C型檩条与连续Z型檩条的平米用钢量和平米造价进行比较分析。
由表3的数据中同样可发现连续檩条边跨的弯矩、变形及强度应力均比中间跨大，采取边跨和中间跨取两种不同截面檩条的方法，可避免钢材的浪费。
针对两种不同构造形式下所需檩条截面以及檩条平米用钢量和平米造价的计算比较结果详见表4。
从表4中我们可以看出，采用斜卷边Z型连续钢檩条平米用钢量及平米造价比采用C型简支檩条节约38%左右。考虑连续檩条的搭接长度和安装费用，连续檩条还是占绝对的优势。
6. 结语
综上所述，设计人员在设计过程中，应根据工程的具体情况合理选用檩条，这样既能满足工程设计需要，又可为工程节约不少的投资，因此，针对门式刚架轻型房屋钢结构的檩条设计升级和设计优化尤为重要，同时更能显示出设计者的智慧，但需做到这些，平时对轻钢结构方面的业务学习是必须的。
参考文献
［1］ 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:2002）［S］.北京：中国计划出版设，2003.
［2］ 杭萧钢构公司委托浙江大学所做的试验资料［R］.
［3］ 冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）［S］.北京: 中国计划出版设，2002.
［文章编号］1006-7619（2011）09-27-938
［作者简介］ 李树刚（1983.1-）男，职称：工程师，主要从事结构设计工作，毕业于哈尔滨工程大学。
张智勇（1978.1-）男，职称：工程师，主要从事结构设计工作，毕业于内蒙古工业大学。
韩喜娟 （1979.6-） 女，职称：工程师，主要从事结构设计工作，毕业于武汉科技大学。
【关键词】门式刚架 ；檩条；构造形式
On the portal frame light steel purlin design houses
Li Shu-gang,Zhang Zhi-yong,Han Xi-juan
(New to the nuclear industry Nuclear Engineering Co., Ltd Taiyuan Shanxi 030012)
【Abstract】With China's rapid industrial development and technological progress and update steel, steel portal frame light housing (hereinafter referred to as "portal frame") gradually replaced the traditional structure of reinforced concrete or brick bent bent structure, especially in the structural design of large industrial plants. In the portal frame in every aspect of the design, roof and wall purlins design choice is particularly important, this paper will focus on the door frame structure in cold-formed steel purlins strength of different materials, different spans, each under different structural forms task performance were calculated and analyzed for future engineering applications put forward some views, willing to work with peer discussion.
【Key words】The door frame;Purlins;Structure in the form
1. 引言
门式刚架优点主要体现在：主要构件和配件可实现工厂批量生产，建设周期短；自重轻（在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土排架结构的1/20~1/30）、地基处理费用低、抗震性能好；用钢量低、经济效益高（门式刚架的平米用钢量约为钢筋混凝土排架结构的1/4~1/7）；柱网布置灵活，可形成大空间、大跨度；建筑外型新颖美观，易维护、拆迁、改造等特点。门式刚架凭借其诸多优点，逐渐在建筑领域占据一定地位，它广泛适用于厂房、库房、展览厅、体育馆及加层建筑等工程领域，人们普遍认为大有发展前景。
然而，在门式刚架的结构设计过程中，屋面与墙面檩条的设计往往被设计人员所轻视，屋面与墙面檩条同门式刚架的梁、柱一样是重要的承重结构构件，其用钢量却占整个工程总用钢量的30%左右。因此，针对屋面与墙面檩条进行设计升级和设计优化越来越受到业界的重视。
2. 常用檩条形式
在具体的工程设计中，常用的檩条有以下三种形式：
（1）实腹式冷弯薄壁卷边槽钢（C型）檩条。
（2）高频焊接轻型H型钢檩条。
（3）实腹式冷弯薄壁卷边Z型钢檩条。
3. 檩条计算及分析比较
对采用不同材料强度（Q235、Q345）钢材的简支单跨檩条和连续多跨檩条分别进行计算分析，根据计算结果对用钢量及工程造价进行比较，为今后的工程实施提供数据参考。
4. 多跨连续檩条计算
4.1 据有关资料显示：Z型多跨连续檩条在支座搭接处由于嵌套区存在一定程度的松动，导致弯矩释放，根据试验情况，支座处的弯矩释放以10%为宜。因此Z型连续嵌套搭接檩条达不到等截面连续梁的效果。这样支座处的弯矩小于等截面连续梁的弯矩值，而跨中弯矩则大于等截面连续梁的弯矩值。同样，檩条的实际挠度也大于等截面连续梁的理论计算挠度。
4.2 在连续檩条的有关研究方面，国外很多钢结构公司已取得了一定的成果。如美国巴特勒公司开发有自己的设计软件，其计算采用了简化的模式，按等截面连续梁计算，他们自1992年进入国内市场以来，在全国各地开展各项工业与民用建筑达900多项，具有丰富的工程实践经验，因此他们在连续檩条方面的设计思路和设计理论可值得我们借鉴，有其合理性和可适用性。
4.3 然而，我国现有钢结构设计规范、规程对连续檩条计算尚无一个简单而又完善的计算方法，仅在《钢结构设计手册》中提到多跨连续檩条弯矩近似取值：对相关的计算方法和节点构造措施均未加以明确。还比如：目前我国普遍使用的PKPM（2011版）设计软件中虽然涉及到了计算多跨连续檩条的模块，其中包括连续檩条支座处的搭接长度、支座双檩条连接的刚度折减和支座双檩条连接的弯矩调幅等设置项，但也没有明确说明。
4.4 因此，在多跨连续檩条设计中，设计人员可结合国内相关研究报告及国外钢结构公司成熟的设计理论采用支座搭接的形式对檩条进行计算分析。采取的构造措施：按照边跨不小于跨度的12%、中间跨不小于跨度的10%设置搭接长度；搭接范围内不考虑双檩条的刚度；考虑支座处的弯矩释放。Z型檩条在端跨连续的连接与Z型檩条在中间跨连续的连接如图1、图2所示。
5. 工程实例分析
为了对檩条在不同材料强度、不同跨度、不同构造形式下各项工作性能这个问题有一清晰的描述，笔者选用两组案例来说明。
5.1 例一：分别选用Q235和Q345钢材，对简支单跨冷弯薄壁卷边槽钢（C型）檩条的平米用钢量和平米造价进行比较。
若要提高檩条的承载能力，满足强度和稳定性的要求，可通过两种途径解决。第一种：增大檩条截面，提高构件截面模量；第二种：增大钢材钢号，提高材料强度。通过计算，比较两种不同途径下檩条的平米用钢量和平米造价的区别，计算结果详见表1。
从表1数据中可以发现：跨度为6.0m和7.5m的檩条采用Q345时，平米用钢量与采用Q235相比减少约15%和25%，虽然在单价上Q345比Q235高，但市场行情反应二者价格相差甚微，仅比Q235高出不到4%。综合考虑，选用Q345平米造价要比选用Q235节省约13%和20%。
因而，工程实践中，当檩条仅需满足构造要求时选择Q235即可，当檩条为强度控制时，采用Q345钢材或强度更高的低合金钢材，不仅可以最大效率地发挥高效钢材的优势，而且还可以降低平米用钢量和工程造价。
5.2 例二：选用Q345钢材，对简支单跨与连续多跨斜卷边Z型檩条的平米用钢量和平米造价进行比较。
5.2.1 对相同荷载、相同檩条截面（XZ250x75x20x2.0）条件下，简支单跨檩条与连续多跨檩条的变形能力及极限承载能力进行比较分析。
通过表2、表3的结果不难发现，在相同荷载条件下，简支檩条挠度变形量31.542mm要远大于连续檩条最大挠度变形量19.014mm；通过强度应力 反算可知，连续檩条的极限承载能力要远大于简支檩条。
5.2.2 相同荷载条件下，檩条跨度为7.5m，强度应力比控制在0.9，优选檩条截面，对简支C型檩条与连续Z型檩条的平米用钢量和平米造价进行比较分析。
由表3的数据中同样可发现连续檩条边跨的弯矩、变形及强度应力均比中间跨大，采取边跨和中间跨取两种不同截面檩条的方法，可避免钢材的浪费。
针对两种不同构造形式下所需檩条截面以及檩条平米用钢量和平米造价的计算比较结果详见表4。
从表4中我们可以看出，采用斜卷边Z型连续钢檩条平米用钢量及平米造价比采用C型简支檩条节约38%左右。考虑连续檩条的搭接长度和安装费用，连续檩条还是占绝对的优势。
6. 结语
综上所述，设计人员在设计过程中，应根据工程的具体情况合理选用檩条，这样既能满足工程设计需要，又可为工程节约不少的投资，因此，针对门式刚架轻型房屋钢结构的檩条设计升级和设计优化尤为重要，同时更能显示出设计者的智慧，但需做到这些，平时对轻钢结构方面的业务学习是必须的。
参考文献
［1］ 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:2002）［S］.北京：中国计划出版设，2003.
［2］ 杭萧钢构公司委托浙江大学所做的试验资料［R］.
［3］ 冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）［S］.北京: 中国计划出版设，2002.
［文章编号］1006-7619（2011）09-27-938
［作者简介］ 李树刚（1983.1-）男，职称：工程师，主要从事结构设计工作，毕业于哈尔滨工程大学。
张智勇（1978.1-）男，职称：工程师，主要从事结构设计工作，毕业于内蒙古工业大学。
韩喜娟 （1979.6-） 女，职称：工程师，主要从事结构设计工作，毕业于武汉科技大学。