轻钢屋面结构设计简述
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摘要：钢结构房屋尤其是轻钢屋面结构以其自重轻，跨度大、屋面下部空间大等优点在工业建筑中应用日益广泛，本文将介绍以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面，简述其设计过程，总结其常见的问题和处理办法。
关键词：轻钢屋面结构设计
引言
伴随着我国经济的快速发展，钢结构房屋尤其是轻钢屋面结构以其自重轻，跨度大、屋面下部空间大等优点应用日益广泛，轻钢屋面结构形式有钢屋架结构、钢梁结构、圆管屋架结构、空间网架结构等。本文将介绍以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面，简述其设计过程，总结其常见的问题和处理办法。
轻钢屋面结构设计设计依据
-轻钢屋面结构设计依据：《钢结构设计规范》GB50017-2003、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010、《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2002、《建筑结构荷载规范》GB5009-2001(2006年版)等规范。
轻钢屋面结构设计设计内容
1、轻钢屋面荷载的选取：一般当屋面无特殊要求时，采取彩钢板作为屋面维护结构时，可取恒荷载标准值为0.3kN/m2，活荷载可依据按不上人屋面考虑取值0.5kN/m2,，依据屋面的有无积灰荷载和当地自然环境因素考虑雪荷载，此时设计时应考虑让雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中的较大值与积灰荷载同时考虑。屋面风荷载可依据《建筑结构荷载规范》对应章节进行取值设计。
2、屋面钢梁与混凝土柱的连接形式：依据笔者的设计经验，当屋面跨度不大于15m时，采用屋面钢梁与混凝土柱铰接，跨度大于15m时，采用屋面钢梁与混凝土柱刚接，这样设计较为合理经济。施工过程中钢梁与混凝土柱铰接很好实现。因混凝土与钢材的材料性质、施工条件等因素两者之间刚接较为困难，笔者一般通过在混凝土柱顶加短钢柱，让钢柱与混凝土柱刚接来实现此处节点刚接，或在混凝土柱顶四周预埋厚度不小于20mm厚钢板，用钢筋将四周钢板连接起来，通过混凝土的浇筑与混凝土柱形成整体，再通过钢梁与钢板焊接来实现此处节点刚接。
3、轻钢屋面结构主要受力构件设计：屋面荷载通过檩条传递给钢梁，钢梁将所受荷载传递给混凝土柱，主要受力构件为檩条、钢梁。
（1） 檩条的设计
檩条可分实腹式檩条和格构式檩条。实腹式檩条一般为卷边C型、斜卷Z形冷弯薄壁型钢；槽钢；H型钢。格构式檩条为平面桁架式、空间桁架或下撑式檩条。实腹式檩条一般应用于檩条跨度不大于9m的屋面，格构式檩条应用于檩条跨度大于9m的屋面。檩条设计时一般按单跨简支构件设计；当檩条跨度在4m~6m时，应在檩条跨中位置设置拉条或撑杆；当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度1/3处各设一道拉条或撑杆。檩条截面的高度实腹式一般取跨度的1/35~1/50，格构式一般取跨度的1/12~1/20。
檩条的荷载包括屋面恒活荷载、积灰和积雪荷载、风荷载、檩条自重。在活荷载的取值时需要注意的是当雪荷载小于0.5 kN/m2,，且檩距小于1.0m时，应验算1kN（标准值）施工或检修荷载作用在跨中时檩条的承载力。实腹式檩条的验算包括强度、稳定性、变形的验算。当屋面维护结构能阻止檩条侧向位移和扭转时，檩条的整体稳定性可不验算。变形验算可按照《钢结构设计规范》附录A 表A.1.1取挠度容许值[VT]≤1/200。
（2） 钢梁的设计
因钢梁与柱顶的连接形式不同，可将钢梁分为：两端铰接钢梁和两端刚接钢梁。铰接钢梁和刚接钢梁的截面形式应依据其受力情况来做截面设计：两端铰接钢梁按中心对称做成变截面-两端截面小中部截面大；两端刚接钢梁因跨度较大，通常以中心对称对钢梁按0.25~0.50~0.25来对称划分截面，将与混凝土柱相接比例为跨度的1/8段做成由大到小的变截面，距跨中为跨度的1/8段做由大到小的变截面，剩余的半跨中部部分做成小的等截面。
钢梁的验算包括强度、稳定性、变形的验算。强度按照相关公式进行即可，需要注意的是两端刚接钢梁在钢梁与混凝土柱相连接处，因弯矩和剪力同时存在，需进行梁腹板计算高度边缘处折算应力验算；稳定性须通过构造措施来满足，例如在钢梁两侧设置加劲肋、隅撑、系杆；变形可按照《钢结构设计规范》附录A 表A.1.1挠度容许值验算。
（3） 节点设计
节点设计包括：钢梁之间的连接节点和钢梁与混凝土柱的连接节点设计。
因考虑到构件运输及安装，当钢梁长度小于12m时，各节点可通过在加工场地焊接完成后运输到现场进行吊装，减少因钢梁之间连接的高空做业的危险；当钢梁长度不小于12m时，钢梁之间一般通过摩擦型高强螺栓连接，所以钢梁的节点设计有螺栓连接、焊缝连接两类。螺栓连接、焊缝连接都可以通过抗剪、抗弯计算来完成，此时需要要按照《钢结构设计规范》8.2和8.3章节考虑焊缝连接和螺栓连接的构造要求。
4、轻钢屋面结构的支撑系统的设计：轻钢屋面结构的支撑系统包括隅撑，横向水平支撑和系杆。支撑系统虽不是屋面的受力构件，但是能保证钢梁在安装和使用过程中的整体稳定性，传递水平荷载，提高屋面系统的空间作用，且能减小钢梁的平面外的计算长度。
屋面横向支撑一般设置在温度区间端部的第一、二开间，当设置在第二开间时应在第一开间相应位置设置刚性系杆；系杆在每个开间都应设置，横向水平支撑宜间隔30~60m设置；隅撑应在钢梁两侧对称布置，一般间距3.0m。横向支撑一般为张紧的圆钢、十字交叉的角钢等；系杆一般有成型钢管、十字形组合角钢，隅撑一般选取单角钢。因屋面支撑系统受力较小，一般按构造长细比来选取截面。
参考文献：
[1] 《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中国建筑工业出版社
[2] 《建筑结构荷载规范》GB5009-2001(2006年版) 中国建筑工业出版社