工业化村镇建筑：轻钢房屋设计要点

1.有效截面设计

在冷弯薄壁型钢结构设计中，构件的单个板件通常较薄，且宽厚比大。这种薄壁板件如果承受弯曲或轴向压力作用，在应力水平低于钢材屈服点时就有可能发生局部屈曲，如图3-14所示的帽形截面的受压翼缘。与柱等一维构件不同，加劲受压板件发生局部屈曲后，不会破坏，可以通过应力重分布，继续承受附加荷载，这就是板的屈曲后强度。因此设计冷弯薄壁型钢构件截面的板件时，应以屈曲后强度为基础，而不是以临界局部屈曲应力为基础。

图3-14 帽形截面梁受压翼缘的局部屈曲

屈曲前板中应力均匀分布，如图3-15（a）所示。屈曲之后，板中心部分板条屈曲前荷载中的一部分传至板边缘部分，形成非均匀应力分布，如图3-15（b）所示。直到边缘应力达到钢材屈服点，应力重分布才终止，板开始破坏（图3-15（c））。为简化计算，假设总荷载由均匀分布的板边应力fmax承担，且fmax的分布宽度为假想的“有效宽度”be，以代替考虑沿整个板宽度b的非均匀分布应力，如图3-16所示。宽度be按照实际非均匀应力分布下的曲线面积等于总宽度be、应力强度为板边应力fmax的等效矩形阴影面积之和的条件确定。

图3-15 加劲受压板件中的应力分布

图3-16 受压板的有效宽度

加劲板件、部分加劲板件和非加劲板件的有效宽厚比，受压板件的稳定系数，受压板件的板组约束系数按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.6节计算得出。

2.墙体结构设计

低层冷弯薄壁型钢房屋墙体系统如图3-17所示，是由冷弯薄壁型钢骨架、墙体结构面板、填充保温材料等通过螺钉连接组合而成的复合体。为了便于设计计算，根据墙体在建筑中所处位置、受力状态划分为外墙、内墙、承重墙、抗震墙和非承重墙等几类。承重墙的立柱承担冷弯薄壁型钢房屋的全部竖向荷载，抗震墙则承受水平风荷载及水平地震作用。承重墙和抗震墙应由立柱、顶导梁和底导梁、支撑、拉条和撑杆、墙体结构面板等部件组成。非承重墙可不设置支撑、拉条和撑杆。墙体立柱的间距宜为400～600mm。

图3-17 墙体结构系统示意图

此外，冷弯薄壁型钢房屋结构的抗震墙体，在上、下墙体间应设置抗拔连接件，与基础间应设置地脚螺栓和抗拔连接件，如图3-18所示。抗拔连接件，如抗拔锚栓、抗拔钢带等，是连接抗震墙体与基础以及上下抗震墙体并传递水平荷载的重要部件，因此，抗震墙体的抗拔连接件设置必须要保证房屋结构整体传递水平荷载的可靠性。对仅承受竖向荷载的承重墙单元，也可不设抗拔件。足尺墙体拟静力试验和振动台试验表明，抗拔连接件对保证结构整体抗倾覆能力具有重要作用，设计及安装必须对此予以充分重视。

图3-18 抗震墙体连接件布置

参考美国AISIS211—07设计规范，同时依据中国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002），承重墙立柱按轴心受压构件进行强度和稳定性计算，强度计算时不考虑墙体结构面板的作用；稳定性计算时将结构面板等效为龙骨立柱x向侧向约束，约束间距为2c（c为螺钉间距）。承重墙立柱一般采用C形冷弯薄壁型钢构件，此时构件截面（图3-19）特性，如横截面面积A、形心zo、剪心eo、x轴惯性矩Ix、y轴惯性矩Iy、扭转惯性矩It、扇性惯性矩Iw等，可依据下式计算：

图3-19 C形截面特性

图3-20为承重墙立柱横截面示意图，墙体立柱的设计计算如下所述：

（1）轴心受压构件的强度计算依照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2节计算。

（2）轴心受压构件的稳定性计算依照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2节计算。

此外，冷弯薄壁型钢构件还应考虑畸变屈曲的影响，可按规范《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）6.1.3条计算。

图3-20 承重墙体示意图

承重墙立柱的稳定性设计应分别按以下几步进行计算：

（1）两倍螺钉间距的墙体立柱绕y轴弯曲屈曲稳定性计算

稳定性计算公式按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2.2条计算，但整体稳定系数 将根据构件对截面y轴长细比λy，通过查阅《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）表A.1.1-1或表A.1.1-2得到。构件对截面y轴长细比λy应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2.3条计算，其中，loy取两倍螺钉间距即2c。

（2）立柱弯扭屈曲稳定性计算

立柱弯扭屈曲包括绕x轴弯曲屈曲（计算长度取立柱全长l）和两倍螺钉间扭转屈曲（计算长度取两倍螺钉间距2c）。此时，稳定性计算公式按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2.2条计算，但整体稳定系数将根据构件弯扭屈曲的换算长细比λw，通过查阅《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）表A 1.1-1或表A1.1-2得到。构件弯扭屈曲的换算长细比λw应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2.3条和5.2.4条计算。扭转屈曲的计算长度lww取两倍螺钉间距即2c。

（3）立柱畸变屈曲验算

按规范《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）6.1.3条进行龙骨立柱畸变屈曲验算，其中，Acd与畸变屈曲长细比λcd有关。

（4）板材—螺钉连接件强度验算

除了需要计算墙体立柱强度及稳定性外，美国AISIS211—07设计规范还要求墙体设计时进行墙体板材—螺钉连接件的强度验算，此时，应按式（3-1）计算：

式中：N——单根墙体立柱竖向荷载设计值，取其2％作为连接件荷载设计值；

Pmax——板材—螺钉连接件抗剪强度。

冷弯薄壁型钢承重墙体满足以上四步公式要求，则可认为该墙体满足强度及稳定性条件。

此外，冷弯薄壁型钢抗震墙体的端部、门窗洞口边等位置与抗拔锚栓连接的拼合立柱仍应按本节规定以轴心受力构件设计计算，但轴心力为倾覆力矩产生的轴向力Ns与原有轴力的叠加。其中各层由倾覆力矩产生的轴向力Ns可按《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）8.2.3条计算。

3.楼盖系统设计

低层冷弯薄壁型钢房屋楼盖系统由冷弯薄壁槽形构件、卷边槽形构件、楼面结构板和支撑、拉条、加劲件所组成，构件与构件之间宜用螺钉可靠连接。当房屋设计有地下室或半地下室，或者底层架空设置时，相应的一层地面承力系统也称为楼盖系。楼盖系统基本构造如图3-21所示。

楼面梁是冷弯薄壁型钢房屋楼盖系统的主要受力构件，因对其强度、刚度和稳定性进行计算。简化计算时，楼面梁（包括连续梁、边梁和悬挑梁）应按受弯构件验算其强度、整体稳定性以及支座处腹板的局部稳定性。计算楼面梁的强度和刚度时，可不考虑楼面板为楼面梁提供的有利作用。

图3-21 冷弯薄壁型钢房屋楼盖系统

此外，为了保证楼面梁的整体稳定性和楼盖系统的整体性，防止楼面梁整体或局部倾斜，楼面连续梁应在中间支座处设置刚性撑杆，悬挑梁应在支承处设置刚性撑杆。同时，当楼面梁跨度较大时，还应在跨中布置刚性撑杆和下翼缘连续钢带支撑，阻止梁整体扭转失稳。当楼面梁的上翼缘与结构面板通过螺钉可靠连接、且楼面梁间的刚性支撑和钢带支撑的布置满足本书楼盖连接构造要求时，梁的整体稳定可不验算。当楼面梁支撑处布置腹板承压加劲件时，楼面梁腹板的局部稳定性可不验算。

楼面梁腹板有开孔的，应符合本书梁、柱腹板开孔构造要求。楼面板开洞不宜超过本书规定的最大宽度，并符合本书楼板开洞要求。

（1）受弯构件强度和整体稳定性计算可按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.2节计算。

（2）受弯构件支座处腹板的局部承压和局部稳定计算

a.当支座处有承压加劲件时，腹板应按轴心受压构件的整体稳定性计算，见《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）5.2.2.条和5.3.4条。

b.当支座处无加劲件时，腹板应按《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）7.1.7条验算其局部受压承载力。

c.受弯构件考虑畸变屈曲计算

楼面梁通常为冷弯薄壁槽形构件或卷边槽形构件。对于这种开口C形截面，当楼面梁承受由结构面板传递来的垂直荷载时，除进行强度和整体稳定计算外，尚应考虑畸变屈曲影响，具体计算依照规范《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011） 6.1.6条计算。当构件截面采取了其他有效抑制畸变屈曲发生的措施时，畸变屈曲稳定性计算可按照《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）6.1.4条计算。(www.xing528.com)

d.受弯构件刚度验算

楼面梁按受弯构件计算，除满足强度及稳定性要求外，还应进行挠度验算，按公式（3-2）计算：

式中：v——在荷载标准值作用下的最大挠度；

[v］——楼面梁的容许挠度值，按受弯构件的挠度限值取，见《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）表4.4.2。

4.屋盖系统设计

低层冷弯薄壁型钢房屋屋盖系统由屋架、檩条、支撑和上铺的屋面板组成，其基本构造如图3-22所示。目前，屋面承重结构主要分为桁架，如图3-23（a）所示，以及斜梁，如图3-23（b）所示，两种形式，架体系以承受轴力为主，斜梁以承受弯矩为主。

图3-22 冷弯薄壁型钢结构屋架构造

图3-23 屋面承重结构

（1）屋架

①一般规定

低层冷弯薄壁型钢房屋多为有檩屋盖体系，常采用三角形屋架和三铰拱屋架。

屋架上弦应铺设结构板或设置屋面钢带拉条支撑。当屋架采用钢带拉条支撑时，支撑与所有屋架的交点处应用螺钉连接。屋架下弦宜铺设结构板或设置纵向支撑杆件。屋架腹板处宜设置纵向侧向支撑和交叉支撑，可以有效减少腹杆在平面外的计算长度，有利于保持屋架的整体稳定。

设计屋架时，应考虑由于风吸力作用引起构件内力变化的不利影响，此时永久荷载的荷载分项系数应取1.0。

实际工程中屋架弦杆为一根连续的构件，而腹杆通过螺钉与弦杆相连。计算屋架各杆件内力时，可假定屋架弦杆为连续杆，腹杆与弦杆的节点为铰接。屋架的力学简化模型如图3-24所示，与实际屋架的构造完全相符。

屋架弦杆按压弯构件的相关规定进行承载力和整体稳定计算；腹杆按轴心受力构件的相关规定进行计算。

当屋架腹杆采用与弦杆背靠背连接时（图3-25），腹杆设计应考虑面外偏心距的影响，按绕弱轴弯曲的压弯构件计算，偏心距应取腹杆截面腹板外表面到形心的距离。

图3-24 屋架力学简化模型

图3-25 腹杆与弦杆连接节点

②屋架杆件的计算长度规定

a.在屋架平面内，各杆件的计算长度可取杆件节点间的几何长度；

b.在屋架平面外，各杆件的计算长度可按下列规定采用：

（a）当屋架上弦铺设结构面板时，上弦杆计算长度可取弦杆螺钉连接间距的2倍；当采用檩条约束时，上弦杆计算长度可取檩条间的几何长度；

（b）当屋架腹杆无侧向支撑时，计算长度可取节点间几何长度；当设有侧向支撑时，计算长度可取节点与屋架腹杆侧向支撑点间的几何长度；

（c）当屋架下弦铺设结构面板时，下弦杆计算长度可取弦杆螺钉连接间距的2倍；当采用纵向支撑杆件时，下弦杆计算长度可取侧向不动点间的几何长度。

③构件设计

a.轴心受拉构件的强度应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.1节计算。

b.轴心受压构件的强度应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002） 5.2.3条和5.2.4条计算。

c.拉弯构件的强度应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.4节计算。

若拉弯构件截面内出现受压区，且受压板件的宽厚比大于表3-2规定的有效宽厚比时，则在计算其净截面特性时应扣除受压板件的超出部分。加劲板件、部分加劲板件和非加劲板件的有效宽厚比应根据本书第3.3.2节第一部分计算确定。

d.压弯构件的强度按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.5节计算。

e.压弯构件的稳定性按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）5.5节计算。

f.考虑畸变屈曲的构件设计

轴心受压构件、压（拉）弯构件除按以上公式进行计算外，开口截面还应考虑畸变屈曲的影响，可按下列公式进行计算：

（a）轴心受压构件

按式（3-3）进行轴心受压构件畸变屈曲验算，其中，畸变屈曲时有效截面面积Acd与畸变屈曲长细比λcd有关，可按规范《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）6.1.3条计算。

（b）压（拉）弯构件可以按照《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）6.1.5条计算。

（2）条

檩条宜优先采用实腹式构件。实腹式檩条宜采用卷边槽形和斜卷边Z形冷弯薄壁型钢，也可采用直卷边的Z形冷弯薄壁型钢。

当檀条跨度大于4m时，宜在檀条间跨中位置设置拉条或撑杆。当檀条跨度大于6m时，应在檀条跨度三分点处各设一道拉条或撑杆。

屋架弦杆上的檩条可按简支或多跨连续构件设计，若有拉条，可视为檩条的侧向支承点。

实腹式檀条（图3-26）的计算，应符合下列规定：当屋面能阻止檀条侧向位移和扭转时，可仅计算檩条在风荷载效应参与组合时的强度，而整体稳定性可不做计算。当屋面不能阻止檩条侧向位移和扭转时，除验算其强度外，尚应计算檩条的稳定性，具体计算过程参照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）8.1节。

图3-26 实腹式檀条示意图