作者：吴海南
中国建筑科学研究院有限公司
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摘要：钢结构中的屋面檩条和墙梁是屋面及墙体体系中的承重、传力构件，一般不在整体模型中建立和分析（在三维门式刚架中也是单独分析计算），而是使用工具箱单独进行分析计算。在使用工具箱进行檩条和墙梁设计时，设计人员经常不清楚该如何考虑钢结构墙面檩条布置，工具箱中的参数有哪些，它们的影响有哪些。本文将对这些问题进行分析。
1 钢结构檩条、墙梁工具箱中什么时候可以勾选“屋面板可防止檩条上翼缘侧向失稳”和“墙面板可防止墙梁外翼缘侧向失稳”选项？
图1 参数
首先，勾选“屋面板可防止檩条上翼缘侧向失稳”和“墙面板可防止墙梁外翼缘侧向失稳”选项后，当上翼缘和外翼缘受压时，程序不会对檩条和墙梁进行整体稳定性验算。
根据《冷弯薄壁型钢结构技术规程》GB50018-2002（以下简称《薄壁型钢规程》）的要求：只有当屋面板与檩条连接牢固，即用自攻螺钉、螺栓、铆钉、钉子等与檩条连接牢固，且屋面板具有足够刚度（如波形钢板）时，才可以认为能够防止檩条发生侧向失稳和扭转，其稳定性可以忽略不计。此时，可以勾选“屋面板能防止檩条上翼缘侧向失稳”和“墙板能防止墙梁外翼缘侧向失稳”选项，而不去校核稳定应力。
对于塑料瓦等刚性较弱的瓦或与模条连接不牢固的屋面板，例如固定在檩条支架上的波形钢板（扣板），在使用过程中，面板可以自由滑动，即屋面板与檩条连接不牢固。当连接件如下图[2]所示连接时，连接件可滑动，扭转刚度得不到保证。它不能防止檩条侧向失稳和扭转。檩条的稳定性应按公式8.1.1-2验算。在这种情况下，不能检查此选项。墙板可以约束墙梁外翼缘，这与对屋面板的要求类似。
图 2
2 钢结构檩条工具箱中什么时候应校核“结构确保下翼缘受风吸作用的稳定性”？
檩条在风吸力作用下，下翼缘处处于压缩状态，要求在联合风吸力作用下保持稳定。
计算应按薄钢规进行，勾选“结构保证下翼缘在风吸力作用下的稳定”后，程序不再计算风吸力作用下的稳定应力。根据门式刚架规范第9.1.5-3条规定，“当受压的下翼缘有内衬板约束，且能防止檩条发生扭转时，整体稳定可忽略”，即当檩条下翼缘设有内衬板，且内衬板与檩条可靠连接时，可考虑此项。
同时，也有人提出，当设置下层支撑，且拉力在距下翼缘1/3腹板高度范围内时，也可认为结构保证了下翼缘的稳定。这种说法是否正确？笔者认为，如果设置下层支撑后，下翼缘的稳定性仍不能保证，则不必计算，此时仍需校核下翼缘的稳定性。门式刚架规范对内衬板对檩条下翼缘的约束已有说明，在9.1.5条的说明中提到“当内衬板固定在檩条下翼缘上时，相当于有密集的小支撑对下翼缘进行侧向约束，不必考虑整体稳定性。”考虑到支撑对檩条的约束仅仅是在支撑拉杆位置的点约束，支撑不可能布置得很密集，一般支撑间距约为2m~3m，远远谈不上密集，因此下层支撑对下翼缘的约束不满足不需要进行稳定性验算的条件。
3、拉杆作用中约束檩条上翼缘、约束檩条下翼缘、约束檩条上下翼缘的参数应如何选取？设置对计算结果有何影响？
拉杆作为檩条的侧向支撑点，主要限制檩条的扭转和侧向变形。当拉杆在距上翼缘1/3腹板高范围内时，可认为是上翼缘扭转变形的支撑点，此时拉杆左右两侧对檩条上翼缘起约束作用。同理，当拉杆在距下翼缘1/3腹板高范围内时，可认为是下翼缘扭转变形的支撑点，此时拉杆左右两侧对檩条下翼缘起约束作用。当设置双层拉杆，且上下两层分布在距上下翼缘1/3腹板高范围内时，拉杆的作用是对上下翼缘起约束作用。
设定拉杆作用后，程序根据拉杆设置个数及檩条跨度确定拉杆间距，并根据此间距确定拉杆约束位置，也就是在檩条上下翼缘稳定性校核时，檩条露出面外的计算长度，进而影响檩条在相应位置的稳定性校核结果。
4 如下图所示：檩条设计工具箱提供了《薄钢规范GB50018》和《门规范GB51022-2015》两种规范选项，这两种规范有什么区别？
图 3 工具箱中的两个标准选择
自《门式刚架轻型钢结构技术规范》GB51022-2015（以下简称门式刚架规范）修订以来，新版门式刚架规范对檩条的计算作了更为详细的规定。同时结合冷弯薄壁型材檩条的薄型钢规范，两版规范的区别主要有以下四点：
1）门式刚架规范9.1.4规定实腹卷边檩条的宽厚比不大于13，卷边宽度与翼缘宽度之比不小于0.25，且不大于0.326。本规范对薄型钢无要求。
2）门式刚架规范第9.1.5-1条规定，薄壁截面腹板剪应力还需按9.2.5-2公式验算，而薄壁型钢规范无相关要求。
3）门式刚架规范第9.1.5-1条还规定，在对檩条进行强度校核时，采用平行轴有效截面模数进行校核钢结构墙面檩条布置，而薄钢规范则规定强度和稳定性校核一律采用主轴截面模数。虽然主轴有效截面模数大于平行轴有效截面模数，但对于檩条强度的计算，门式刚架规范是按照单向受弯构件或单向压弯、拉弯构件来计算其强度和稳定性，而薄钢规范则会按照双向弯曲、拉弯或压弯来计算其强度和稳定性。因此，在水平弯矩情况下，薄钢规范的计算结果很可能大于门式刚架规范的计算结果。
4）门式刚架规格将波形钢板屋面檩条挠度控制在1/150，薄钢规格将波形钢板屋面檩条挠度控制在1/200。
5、钢结构墙体中墙梁采用C型截面时，洞口朝上比较有利，还是朝下比较有利？
首先我们要了解C型截面的特点，对于C型截面来说，它是单轴对称截面，相对于X轴是轴对称的，相对于Y轴是不对称的，因此相对于Y轴两侧的抗弯矩是不一样的。如下图所示，Y轴左侧部分对Y轴的抗弯矩记为W1，Y轴右侧部分对Y轴的抗弯矩记为W2。W1>W2，一般W1是W2的三倍左右。
图 4 剖腹产
C型截面多用于简支墙梁，下面就简支墙梁所承受的墙梁荷载及檩条的来去进行分类讨论：当墙梁只承受从墙体传来的墙体风荷载，且墙板竖向荷载自承时，面朝上或面朝下对风荷载作用下的强度和稳定性没有影响。竖向荷载只考虑墙梁本身的自重，面朝上或面朝下的计算结果基本相同。
当墙梁承受从墙体传来的风荷载时，墙板不自承重，墙梁要承受竖向荷载，对于简支墙梁来说，在竖向荷载作用下，墙梁截面下部受拉，上部受压。了解了C型截面的性质之后，我们来分析一下具体截面的应力。如果C型截面以口向上的方式放置，则截面Y轴右侧部分受压，计算稳定应力时，W2参与计算，根据上述截面性质W1>W2，口向上时的稳定应力大于口向下时的稳定应力。所以，这种情况下，在截面进行稳定应力控制的情况下，口向下的截面最能充分利用截面刚度和承载力。
6、钢结构檩条工具箱中简支檩条计算结果输出“檩条所能承受的最大轴力设计值为（KN）”，怎么理解？
考虑到檩条有时也兼作屋面刚性拉杆，程序对常规檩条按受弯构件计算强度和稳定性。若按受弯构件计算出的强度和稳定应力满足要求，程序将按压弯构件计算公式计算檩条所能承受的最大轴力并输出。若在参数中的“轴力设计值”中输入某一数值，程序将直接按压弯或拉弯构件对檩条进行校核。
7、连续檩条工具箱中“减小边跨檩条间距一半”功能是什么？对计算结果有什么影响？
由于山墙桁架一般都设有抗风柱，有的还需设置墙架柱，因此边桁的竖向刚度远大于相邻的中桁。在竖向荷载作用下，山墙桁架与相邻的中桁的竖向变形差异较大，可能造成屋面板局部变形，甚至倒塌，造成渗漏等。因此，有的钢结构厂家在檩条边跨时，习惯于减小檩条间距，以加强边桁与中桁的连接，减小竖向变形差异，在一定程度上增加屋面板的刚度。如图：在红色箭头所指位置将增加简支檩条。
图5 “边跨檩条间距减小一半”的效果
增加简支檩条后，边跨檩条的承载面积会减少一半，对强度及稳定应力的计算结果会产生影响，如下图所示。
图 6
