系杆怎樣才算同時約束屋面梁的上下翼緣？

2024-06-23 23:38
鋼結構設計

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來源：從鋼結構到裝配式鋼結構建築公衆號

門式剛架的系杆能否同時約束屋面梁的上下翼緣，作爲面外計算的可靠支承點，這是網友經常問的一個問題。近期“非常穩定”公衆號的張老師寫過一篇文章——《系杆間距作爲輕鋼屋面梁的平面外計算長度，就一定安全嗎？》（2024年4月4日），提示了設置在上翼緣附近的系杆不一定能作爲屋面梁負彎矩區的平面外支撐，即系杆並非一定能約束屋面梁下翼緣的問題，應滿足一定條件纔行，需要保證連接節點的強度。

但最近問我問題的網友還是挺多，到底系杆怎樣纔算是能同時約束屋面梁的上下翼緣，具體又怎麼評估？實際上這是一個穩定設計時的共性問題，即，構件由側向支承提高其穩定性時，怎樣的約束條件才能算作防止失穩的可靠支承。

提問的都是工程師。因此，我也試圖從穩定的概念出發去聊聊這事，不談穩定的理論分析和計算。

一、怎麼判斷約束是否有效？

實際上回到穩定理論定性去看，這就是一個典型的側向支撐構件穩定問題。顯然，要保證約束的有效性，對彈性支承有剛度和強度的要求。

只要看一下陳紹蕃先生的《彈性穩定設計指南》中關於軸壓構件側向支撐條件的推導過程就能很好理解。如圖AB柱由CD杆作爲側向支撐（彈性支座），如彈簧剛度弱，則AB杆失穩時並不能形成兩個完整的半波，計算長度不能減半（圖d）。只有彈簧剛度足夠大時，才能達到剛性支座同等的效果（圖e），這就是彈性支承的剛度要求。

文中推導後給出，按壓桿沿長度有多道等間距支撐，支撐剛度的下限值趨近於k=4Ncr/l（l爲支撐間距）。同時由於AB杆存在初始缺陷，支撐杆CD產生軸力，一道支撐時支撐力F=N/60（N爲壓桿最大軸力）。

事實上這也是《鋼標》公式的來源。然而，《鋼標》顯然未提及作爲側向支撐，除了強度，還需要有剛度要求。《門規》中關於隅撐的計算，軸力取值其實就是來自壓桿的側向支撐強度，按梁下翼緣所受最大軸力計算。

回到文首的問題，顯然，系杆作爲下翼緣可靠支撐，除了強度可靠外，實際上還得滿足剛度要求。如下圖所示，能否約束下翼緣，就變成了系杆、連接和加勁肋一起的抗彎能力能否成爲可靠的彈性支座的問題。下翼緣受壓，參考軸壓桿的要求，則除了兩側系杆和連接節點能承受大小爲Fh（F=Af/60，A爲下翼緣面積）的彎矩外，靠系杆抗彎還應能提供剛度下限值k=4Af/l（系杆截面較小，抗彎剛度不大，並不一定能滿足）。

目前我國規範並未給出受彎構件側向約束的剛度和強度要求，上述內容參考了軸壓構件。實際上還是有一些文獻或國外規範可供參考，如日本規範對側向支承梁的穩定約束規定是剛度不小於4M/(lh)（M爲梁截面承載力，h爲梁高），軸力不小於0.02Af（塑性設計的規定與此類似，更嚴一些），與上述基於軸壓模型的結果比較接近。

二、其它類似問題

門剛檁條-隅撐系統約束屋面梁下翼緣提高穩定性的情況和上述問題類似，靠的是檁條的抗彎剛度和承載力來支撐。