轻钢厂房的抗雪灾设计探讨

[摘 要]本文通过对轻型钢结构厂房在雪灾中发生诸多倒塌事故的情况进行了较为系统的分析，就结构设计中需要注意的问题及结构构件的细部设计进行了探讨，并提出了指导性的建议。

[关键词]轻型钢结构，雪荷载，破坏分析，倒塌事故，失稳破坏

中图分类号：TU392.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0154-01

0 引言

由于轻型钢结构房屋具有超强的抗震性能，施工速度快、效率高、周期短、不受季节影响，具有很好的性价比，全部可实现工厂化生产，因此在工业厂房设计中得到很广泛的应用，这就要求设计人员要注重其安全性。

轻型钢结构房屋通过改进截面形式的承载效率，以较少的材料实现了较大的负荷能力。但这种优化的结构形式，超静定次数少，结构冗余度小，对自身缺陷和外界影响的敏感性强，进而导致在施工和使用过程中，轻型钢结构的安全事故时有发生。暴雪致使大量轻型钢结构厂房破坏甚至整体倒塌的事故时有发生，因而有必要进一步研究轻型钢结构在大风雪下的工作性能和破坏形式，以及必要的设计应对措施。通过很多雪灾损坏的厂房，发现次构件设计普遍不被重视，成为结构破坏突破口。次构件因为用量小作用大，着意强化可以提高整体性，即便结构短期小幅度超载时，也可以做到“曲而不坏，坏而不倒”，为拯救生命和财产赢得时间和空间。本文对拉条、隅撑、彩板、檩条、锚栓的设计易错细节做总结。

1 拉条设置位置

1） 使用差异对拉条位置的影响。螺钉固定的单层屋面板。用自攻螺钉直接把屋面板和檩条上翼缘固定，这时候屋面板有大量可靠的螺钉传力，发挥彩板刚度，对檩条约束效果较好，拉条设置到靠近下翼缘约45mm的平面内，对风荷载起控制的厂房有利。屋面板搭接部位需增设自攻螺钉。如果荷载组合以恒载控制的时候，拉条可以设置上翼缘附近45mm；用单层暗扣板或者冷断桥支座固定的屋面板。由于这种板型能够考虑彩板坡向热胀冷缩滑移或者转动，工程上应用很广。忽略连跨高肋版型对支座位移的限制，可以认为檩条上翼缘稳定性不能由屋面板保证，拉条设置位置可以设置在控制组合下檩条受压侧45mm处。双层板分布在檩条上侧时，取决于内板和檩条的连接能否约束檩条的侧扭。内层板通常螺钉固定，可以按支撑上翼缘设计；双层板分布在檩条两侧时，下层板通常有密集的自攻螺钉固定，能够较好地发挥彩板刚度约束檩条下翼。若上层板能做檩条平面外支撑，拉条置中，否则拉条应偏上，保护上翼。

2）边跨檩条厚度擅改。边跨檩条挠度和内力都比中跨大，通常厚度略大。因量少采购不便，施工单位普遍擅改。可以把边跨檩条设计成两根电阻点焊合并的斜卷边Z型檩条，考虑折算厚度参与计算。稳定性控制时，边跨拉条加密。

3）弧形屋面拉条应弧向分区张拉。拉条在弧面张紧使檩条产生向心挠曲导致拉条松弛，张拉刚度削弱，无法侧向支撑檩条。沿弧向分区张拉，弧面宜分割成若干平面张紧拉条可以解决这个问题。考虑到坡度角弧向变化，宜采用双层拉条。

4）长坡屋面拉条设置。过长坡面，沿坡面向下分力积累，屋脊处最大，拉条承拉力比檩条孔壁承载力大很多，檩条孔壁总先于拉条屈曲，螺帽从孔壁拔出。建议长坡屋面（>40 米）增设斜拉条，分段把坡面荷载导向框架梁。坡度大、荷载大的厂房应适当增设。对于墙面檩条，过高墙面一样适当增设斜拉条。

5）斜拉条张拉角不宜太小。张拉角度太小对拉条传力和檩条孔壁不利，宜增设“斜腹杆”与刚性拉拉杆组成坡向桁架。板端檩距过小时，斜拉条可以内移一个檩距，板端跨应设置刚性拉压杆。

2 檩条、彩板、天沟等薄弱部位设计

1）雪压大时，沿山墙边区和角区的板带受力最大，其边跨挠度、强度和第二支座处强度控制板型或者厚度。暗扣连接和横向锁缝连接决定厚度和强度无法太高。减小板带端跨跨度可以减小板厚。

2）高大女儿墙后积雪分布系数应参考挡风板后取值。暴风雪在女儿墙背后天沟处形成积雪。女儿墙后局部区域应按照积雪分布系数进行验算。山墙女儿墙后部位积雪偏大，无法分区设置雪载的连续檩条计算程序宜采用包络设计法，不均匀的分布区超半跨时按全跨计算。

3）对北方天沟冰冻地区，可以采用电阻防冰或者双层天沟（上层带格栅）方法防止冰害。

4）台风较大地区的厂房内天沟，不适合采用太薄无可靠固定的不锈钢或彩板天沟。台风在天沟女儿墙背后产生吸力，影响正常使用，宜对天沟加强拉结。

3 隅撑设计

1）应当优先采用对结构无削弱的连接方式。从不削弱截面强度和减少应力集中方面比较，优连接板方式。翼缘打孔连接，则结构计算必需考虑截面削弱，重要部位可能要进行复杂的应力集中计算。

2）有内衬板的屋面，隅撑固定有以下方式：内衬板切口固定隅撑和加连接板伸出内扳固定隅撑。厂房采用自攻螺钉把内衬板和檩条下翼缘固定导致雪灾中隅撑大面积松脱。螺钉自攻头由于没有螺帽扩大端，自攻孔在积雪、融雪过程中被双向切削融雪松落，自攻螺钉不适合在此承受反复荷载。

3）隅撑布置的位置。①在梁平面外稳定性控制部位，隅撑可适当加密，以充分发挥钢梁强度。②考虑长圆孔滑移，大檩距框架梁平面外计算长度应适当取值。薄壁檩条宜开圆孔，刚性檩条宜采用高强螺栓连接，发挥轴向承载余力，对梁上翼支撑作用可以加强。

4 高低跨处雪荷载不利布置

1）框架设计时往往简单地把活载和雪载取最大值做为框架活荷载均布计算。实际上，积雪不均匀分布客观存在。雪荷载特别大时，对荷载不利布置特别敏感的框架应该按荷载不利布置复核。

2）低跨彩钢板、檩条和框架梁除考虑积雪分布系数外，还应该考虑高跨积雪下滑冲击和堆积。此区域内的檩条应该加密，还应该验算彩板的强度和刚度。

3）弧形高跨的高低跨屋面。规范对弧形高跨的高低跨没有明确。弧顶在檐口坡度角最大，积雪断裂下滑会加速，冲击破坏比较严重，应充分加大此处刚度。

5 大跨度钢结构厂房的屋盖挠度和稳定性控制

1）超大跨度的屋盖钢梁超静定次数少，按挠跨比控制时，绝对挠曲比较大，大挠曲对支座产生很大的拉力或者推力，对支座锚栓和混凝土柱十分不利。目前钢结构简支屋面梁的挠度基本按《钢结构设计规范》附录 A 控制。此处的扰度控制非外观要求，挠度不可以减去起拱值。

2）梁端支座构造要和计算假定一致。对完全抗剪连接的梁端支座必须设置抗剪键，锚栓是简支结构的最后一道防线，不应让锚栓抗剪。锚栓抗拔验算应采用实际恒载，否则得不到正确数据供参考。

3）加强钢梁的平面外支撑。两端简支的钢梁跨度较大时，往往是挠度控制。风载作用下，各截面沿长度方向做不同幅水平摆动。考虑到檩条受弯构产生的角应变以及长圆孔的滑移对高大截面约束非常有限，对高截面简支梁应以刚性系杆作为平面外支撑。屋面梁下翼缘隅撑布置应按风吸组合下的包络图设计，应力大的高大部位可以采用双层刚性系杆。

结束语

近年来，轻钢结构在我国发展迅速，在工业领域应用普遍。我们在看到轻钢结构优点的同时，更要注意到其在应用中存在的问题。近几年的雪灾是对我国轻钢结构的一次考验，同时也使我国轻钢结构行业（包括设计和施工）积累了大量的经验。在今后结构设计中应尽量周全考虑荷载，选择较优的结构形式和支撑体系，并加强对厂房使用过程的定期检查和维护。

参考文献

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