门式刚架计算原理和设计实例：第四章 次结构及其连接构造.doc

第四章 次结构及其连接构造
檩条、墙檩和檐口檩条构成轻型钢结构建筑的次结构系统。一方面，它们可以支承屋面板和墙面板，将外部荷载传递给主结构；另一方面，它们可以抵抗作用在结构上的部分纵向荷载，比如纵向的风荷载，地震作用等；此外，它们也作为主结构的受压翼缘支撑而成为结构纵向支撑体系的一部分。檩条是构成屋面水平支撑系统的主要部分；墙檩则是墙面支撑系统中的重要构件；檐口檩条位于侧墙和屋面的接口处，对屋面和墙面都起到支撑的作用。
图4-1 典型的冷弯薄壁型钢构件
除柱距较大的结构需采用热轧工字钢外，轻型门式刚架的檩条，墙檩以及檐口檩条一般都采用带卷边的槽形和Z形（斜卷边或直卷边）截面的冷弯薄壁型钢，如图4-1所示。

冷弯薄壁型钢的一般特点
冷弯薄壁型钢构件用相对较少的材料承受较大的外荷载，不是单纯用增大截面面积，而是通过改变截面形状的方法获得。根据测算，同样截面积的冷弯薄壁型钢与热轧型钢相比，回转半径可增大80%，惯性矩和面积矩可增大50-180%。所以，冷弯薄壁型钢抗压和抗弯性能好，整体刚度大。
由于冷弯薄壁型钢在室温下成型，材料将产生冷弯效应。所谓冷弯效应，是指冷加工使材料达到塑性变形，材料结构发生变化，产生应变硬化和应变时效，使截面弯角部分材料强度提高，塑性降低。影响材料冷弯效应的因素有钢材极限强度和屈服强度的比值；弯角半径和板厚的比值；冷加工的成型方式、次数、受力性质等。考虑材料的冷弯效应，一般可以提高设计强度10-15%，但是一般只在构件全截面有效时才在计算中考虑设计强度的提高，否则可以将冷弯效应作为设计中的强度储备。
图4-2解释了冷弯效应构件强度提高的原因。A曲线是钢材未冷加工的标准的应力-应变曲线；钢材冷加工超过材料屈服强度达到塑性段，之后沿B直线卸载，这是应变硬化的过程；加载的C曲线沿B直线，直线段高于A曲线的屈服平台，甚至由于应变时效的作用，C-D曲线的屈服平台还高于B直线的卸载点。可以看出冷弯效应提高了钢材的屈服强度，但塑性降低了。
D
C
C
B
A
A
应力
图4-2 冷弯效应
冷弯薄壁型钢构件板件宽而薄，在压应力作用下，截面板件容易产生凸曲变形，发生局部失稳。但是板件在局部失稳后并不立即丧失承载能力，而是仍能承担一定的荷载增量直至构件整体失效，这个过程称为屈曲后强度的利用。可以采用有效宽度法或有效截面法概念利用板件或截面的屈曲后强度。
冷弯薄壁型钢由于自由扭转刚度小，而且大多数截面剪心和形心不重合，因此构件中存在弯曲和扭转的共同作用。弯扭屈曲是其常见的破坏形式，必须在设计中加以防止。除了采用更好的截面形式（双轴对称，闭合构件）外，常见的构造措施有增加支座和跨中处的侧向支承，比如端加劲肋，檩托，撑杆等。
第二节 有效宽度法的基本概念
一、有效宽度的概念
设计冷弯薄壁型钢构件允许考虑构件的屈曲后强度，不同边缘支承的板件屈曲应力和屈曲后性能不同,截面内板件的分类一般如下所示（见图4-3）：
(1)加劲板件，也称两边支承板件，比如C型、Z型构件的腹板；
(2)未加劲板件，即一边支承，一边自由板件，比如无卷边的C型构件的翼缘；
(3)部分加劲板件，包括
边缘加劲板件和中间加劲板件。边缘加劲板件是指一边支承，一边带卷边的板件，比如，卷边C型、Z型构件的翼缘部分；
中间加劲板件是指两边支承且带中间加劲肋的板件，比如许多压型钢板。
图4-3 截面板件的分类

有效宽度得到后还需要定义有效宽度的分布。对于均匀受压板件，有效宽度对称分布在加劲板件的两侧，靠加劲边分布在非加劲板件的一侧，根据卷边加劲刚度按比例分布在边缘加劲板件两侧；对于非均匀受压板件，受拉区全截面有效，受压区根据应力分布按比例分布在板件受压区两边。图4-4给出了分布示意。
a) 加劲板件 b)部分加劲板件 c)非加劲板件
图4-4 各种类型板件的有效宽度分布
二、有效宽度计算
现行规范对各类板件的有效宽度定义了一套统一的公式，如下所示：
(4-1)
(4-2)
(4-3)
上式中，b 代表板件宽度；t 为板件厚度；be为板件有效宽度；为计算系数，按式（4-4）取值：
(4-4)
这里，ψ 表示压应力分布