我国《冷弯薄壁型钢规范》 GB50018 的 8.2.3 条文说明指出,当风吸力作用下,实腹式檩条下翼缘受压时,可以布置靠近下翼缘的拉条作为侧向支撑点,用于强度和整体稳定性验算。但是,在实际工程中,条文中 “ 靠近下翼缘 ” 并未引起部分设计人员的足够重视。特别是,在部分光伏支架结构中,可能是为了便于标准化生产和安装,在许多案例中发现将拉条设置在檩条截面的腹板中间。
我国《冷弯薄壁型钢规范》 GB50018 的 8.2.3 条文说明指出,当风吸力作用下,实腹式檩条下翼缘受压时,可以布置靠近下翼缘的拉条作为侧向支撑点,用于强度和整体稳定性验算。但是,在实际工程中,条文中 “ 靠近下翼缘 ” 并未引起部分设计人员的足够重视。特别是,在部分光伏支架结构中,可能是为了便于标准化生产和安装,在许多案例中发现将拉条设置在檩条截面的腹板中间。
本文借这个问题对薄壁截面檩条中拉条的有效性,以及对檩条受力性能可能产生的影响进行讨论。
浙江大学的童根树教授通过研究发现,拉条与冷弯薄壁型钢截面檩条的腹板连接后,檩条腹板的局部变形对拉条的刚度削弱明显(图 2 )。
在大量研究的基础上,提出拉条的有效刚度的计算公式:
对于一般采用的 10mm 圆钢,檩条间距为 1.5m ,拉条的轴心抗拉刚度即为 k s =10780N/mm 。如果考虑檩条截面的局部变形后,拉条的有效刚度 k w 将大大减小(图 3 )。
通常情况下,位于两个单向桁架之间布置有多道平行檩条,拉条需要对其中的平行檩条提供约束作用。由于拉条只能承受拉力,因此对于任一方向的檩条变形,只有其中一侧的单向桁架起作用。
此时,除了檩条本身变长引起的刚度下降外,还会由于檩条两侧的拉条在截面腹板上的错位布置引起的局部变形,对拉条长度方向的传力能力产生显著的影响。研究发现,檩条两侧拉条的错位距离越大,对拉条有效性的影响越明显。
由图 6 可以发现, 以第 1 根拉条为基准,第 i 根拉条的有效性快速下降:第 6 根约为第 1 根拉条的 10% ,第 10 根约为 2% ,第 20 根约为 0.05% 。 由于实际工程中,门式刚架跨度大,一般两个单向桁架之间的檩条数量众多,因此必须重视拉条用于多道檩条时的这种衰减效应。
根据欧洲规范 EC3 ,檩条下翼缘强度验算除了考虑平面内的弯曲应力外,还需要叠加截面扭转产生的等效应力:采用假想水平力,作用于檩条下翼缘 +1/5h 高度的腹板截面组成的等效截面,计算绕其自身轴的弯曲应力。
当拉条不能作为檩条的平面外刚性支撑时,会对檩条下翼缘等效截面的平面外等效弯矩产生影响,从而影响等效弯矩产生的弯曲应力(图 8 )。
当作用风吸力时,简支檩条的自由下翼缘受压,可能发生整体失稳。如果拉条能够提供足够的平面外支撑刚度,那么拉条的间距就可以作为檩条下翼缘稳定验算的计算长度(图 9 )。
图 10 中对 4m 跨度简支檩条 C200x70x20x2.0 中间设置一道拉条时的整体失稳临界荷载进行了分析。可以发现,当拉条刚度较小时(约小于 200N/mm )时,檩条发生单波屈曲失稳,当拉条刚度大于门槛刚度时,檩条发生两个半波失稳。对于所计算的算例,所需的门槛刚度大小约为圆钢拉条本身轴向刚度 10780N/mm 的 2% 。虽然,看上去所需的拉条门槛刚度很小,但是比较图 3 结果可以发现,当拉条位于檩条腹板中间时,对于该檩条截面,拉条的有效刚度约为 k s 的 3% ,如果考虑多道檩条的衰减效应(图6), 从第 2 根檩条开始,拉条的有效刚度就已经低于 2% ,也就意味着已经出现支撑刚度不足的现象。
1. 冷弯薄壁檩条腹板的局部变形会显著降低拉条的有效刚度,因此拉条应尽可能连接于靠近檩条下翼缘的位置(最好不要大于 30mm );
2. 对于多道平行檩条,拉条的有效性会沿着长度方向急剧衰减,因此对于远离边缘单向桁架部位的檩条来说,拉条的支撑刚度可能严重不足;
3. 拉条的有效刚度不足会对檩条下翼缘的强度计算产生明显的影响;
4. 拉条的有效刚度不足,会影响风吸力下檩条的稳定性,使得计算长度无法按照拉条间距取值;
5. 实用中,可以将采用薄钢板垫片等方式对拉条连接位置进行局部加强;采用薄钢条连接于檩条的下翼缘(可以用自攻钉)来代替圆钢拉条,可能具有更好的效果。