檩条隅撑用M12普通螺栓可能存在安全隐患，钢结构设计师应重视此问题

在轻钢屋面系统中，屋面梁的稳定性差，因此其平面外稳定性通常需要考虑隅撑的约束作用。特别是在屋面梁的负弯矩区，由于下翼缘无其它侧向约束，隅撑的约束作用对屋面梁稳定性的作用尤为关键。实际工程中，角钢隅撑下端与屋面梁下翼缘附近的节点板连接，上端与屋面檩条的腹板相连（图1）。隅撑轴向承载能力的控制因素隅撑的承载能力除了自身的稳定承载能力外，还与两端的连接强度有关，当连接强度小于隅撑的承载能力时，螺栓连接的强度起控制作用。

在轻钢屋面系统中，屋面梁的稳定性差，因此其平面外稳定性通常需要考虑隅撑的约束作用。特别是在屋面梁的负弯矩区，由于下翼缘无其它侧向约束，隅撑的约束作用对屋面梁稳定性的作用尤为关键。实际工程中，角钢隅撑下端与屋面梁下翼缘附近的节点板连接，上端与屋面檩条的腹板相连（图1）。

隅撑轴向承载能力的控制因素

隅撑的承载能力除了自身的稳定承载能力外，还与两端的连接强度有关，当连接强度小于隅撑的承载能力时，螺栓连接的强度起控制作用。

在实际工程中，隅撑上、下两端通常采用一颗4.6S的M12普通螺栓与屋面梁和檩条相连。根据《钢结构设计标准》，普通螺栓连接的强度主要由螺杆的抗剪强度和连接板件的孔壁承压破坏控制，两者分别由下面公式计算：

螺杆抗剪强度：

N_\nu^b=\frac{\pi d^2}4f_\nu^b

孔壁承压破坏：

\begin{aligned}N_c^b&=df_c^b\sum t\end{aligned}

（t为板件厚度，d为螺栓直径）

对于隅撑连接节点，t为檩条的壁厚。

约束屋面梁所需隅撑支撑力

作为屋面梁的平面外支撑，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》8.4.2条，隅撑的轴向承载能力需满足：

N\geq\frac{Af}{60\cos\theta}

（A为屋面梁翼缘面积，f为屋面梁设计强度）

当隅撑成对布置时，每根隅撑的可取1/2倍。

因此，如果需要考虑隅撑对屋面梁的平面外约束作用，必须满足：

\min(N_c^b,N_{\nu}^b)\color{red}{\geq}\frac{Af}{60\cos\theta}

考虑到一般情况下，隅撑成对布置，即：

\min(N_c^b,N_v^b)\geq\frac12\frac{Af}{60\cos\theta}

实际工程存在的问题

根据轻钢结构常用截面范围对上述条件进行验算，其中螺栓采用一颗4.6S的M12；隅撑夹角为45度；取冷弯薄壁型钢檩条厚度为1.0-3.0mm，材料为Q235和Q345；屋面梁下翼缘为Q235和Q345，按照S3截面确定宽厚比，尺寸见下图所示。

从上图可以看到，当檩条较薄时，支撑所需荷载很容易超过螺栓连接的孔壁承压承载能力；当翼缘面积较大时，支撑所需荷载可能超过螺杆本身的抗剪承载能力。

如果仅考虑目前屋面梁常用的Q345的情况，檩条在常用厚度1.5-2.5mm范围内，可以发现，大部分的情况下均存在隅撑螺栓连接强度不足的问题。这种情况下，当屋面荷载接近或者超过设计荷载（如下大雪的时候），屋面梁的稳定性需要隅撑发挥其接近设计承载能力的支撑力时，就可能发生屋面梁的失稳，从而导致屋面系统的坍塌。

图3中为2021年通辽大雪中，某轻钢厂房屋面破坏的情况，可以看出，隅撑和檩条之间的螺栓连接发生破坏，檩条腹板处的螺栓孔因孔壁承压破坏而变为椭圆形，随后发生螺栓拔出或者剪断的情况。

隅撑连接螺栓的建议

为了避免隅撑连接螺栓强度不足导致屋面结构的破坏，本文建议隅撑的连接螺栓改用8.8S承压型高强螺栓M14。图4对采用8.8S的M14承压型高强螺栓后的结果进行了比较。可以看出，此时螺杆的强度已经远大于所有计算情况翼缘所需的支撑力，且对于大部分的情况，孔壁承压承载能力大于屋面梁平面外支撑所需荷载大小，但是当屋面梁截面较大时，如翼缘宽超过300mm时，仍需进行验算。

本文小结

通过本文的分析，可以得到下面几个简单结论：

(1) 支撑屋面梁的隅撑的承载能力可能由两端的连接螺栓控制，其中檩条的孔壁承压承载能力为主要控制因素；

(2) 常用的隅撑连接螺栓4.6S M12的普通螺栓，很多情况下不能满足隅撑作为屋面梁平面外支撑的要求；

(3) 隅撑螺栓连接承载能力不足可能导致轻钢屋面结构发生坍塌破坏，后果严重；

(4) 建议隅撑连接螺栓改用8.8S M14承压型高强螺栓 ，分析表明可以满足大部分的情况，但当屋面梁下翼缘截面较大时，仍需进行验算，以确保安全。

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