【钢结构政策·技术】为什么屋面檩条这么薄 却能跨6米

本文转载自公众号：小小芬哥

如果你爬到钢结构厂房屋顶附近看一眼，

很可能会发现一个很反常识的现象：

支撑整个屋面的檩条，

钢板厚度可能只有：

1.5毫米、2毫米、2.5毫米，甚至3毫米左右。

用手敲一下，

“咣咣”响。

和下面几百毫米高、十几毫米厚的钢梁相比，

简直薄得像一张铁皮。

但就是这样一根看起来非常单薄的檩条，

却可能横跨：

5米、6米，甚至更远。

上面还要承担：

屋面板，

保温层，

设备荷载，

检修荷载，

雪荷载，

以及风吸力。

为什么这么薄的钢板，

居然能跨这么远？

真正的答案不是：

“因为钢材特别硬。”

而是：

钢板被折成了一个非常高效的形状。

先拿一张A4纸做个实验。

把纸平放，

两边用手托住。

中间稍微放一点东西，

纸马上就塌下去了。

为什么？

因为纸虽然有一定强度，

但它太薄了。

抵抗弯曲的能力非常差。

一张薄钢板其实也有类似的问题。

如果把一块2毫米厚的钢板直接平着跨6米，

几乎没有什么实用意义。

它会非常容易弯曲。

但如果把这块钢板：

折起来，

情况就完全不一样了。

假设有两块完全一样的薄钢板。

第一块平放。

高度只有2毫米。

第二块折成一个200毫米高的C型截面。

虽然钢材厚度还是2毫米，

但整个截面的高度，

从2毫米变成了200毫米左右。

这意味着什么？

意味着大量钢材被放到了：

离截面中心更远的位置。

前面我们讲钢梁时已经提到过：

对于抵抗弯曲来说，

材料离中性轴越远，

通常越有效。

所以工程师真正利用的，

并不是：

“这2毫米钢板有多厚。”

而是：

“能不能把这2毫米钢板布置到更有效的位置。”

这就是为什么薄壁型钢看起来那么薄，

却仍然可以拥有相当不错的抗弯能力。

因为薄壁构件还有另外一个敌人：

局部变形。

你可以把一块很薄的铁皮想象成易拉罐。

整个易拉罐看起来挺硬。

但如果在某个位置轻轻一捏，

局部很容易凹进去。

薄壁钢构件也是一样。

钢板很薄的时候，

即使整体强度足够，

局部板件也可能先发生：

鼓曲，

翘曲，

局部屈曲。

所以冷弯薄壁型钢往往不是随便折两下。

你会发现C型钢、Z型钢的边缘，

通常还会再折一道小边。

这就是常见的：

卷边或加劲边。

别看这道边很小。

它可以帮助薄薄的翼缘保持形状，

提高局部稳定能力。

也就是说：

每一道折弯，都不是为了好看。

它实际上是在“管理”薄钢板的变形。

大型钢结构厂房里，

Z型檩条非常常见。

一个重要原因是：

它特别适合做连续体系。

比如一栋厂房的柱距是6米。

如果每一跨都放一根完全独立的6米檩条，

每根檩条都像一根简单支撑梁单独工作。

但实际工程中，

Z型檩条常常可以在主梁位置进行：

搭接。

两根Z型檩条在支座附近叠在一起，

通过螺栓连接。

这样做以后，

相邻两跨就不再完全各干各的，

而可以形成更接近连续梁的受力效果。

为什么搭接通常放在支座附近？

因为连续檩条在支座区域往往会出现较大的负弯矩。

正好可以利用两根Z型檩条搭接后的加强区域。

所以你会发现：

看似只是“把两根薄钢叠了一段”，

实际上也是在：

顺着内力变化布置材料。

如果把一根6米长的Z型檩条单独拿出来，

你可能会发现：

它非常容易扭。

甚至人站在旁边稍微用力，

都能感觉它不是一个特别“敦实”的构件。

为什么放到屋顶上以后却能正常工作？

因为真正的屋面体系里，

它并不是孤立的。

檩条上面还有：

屋面板，

连接螺钉，

拉条，

隅撑，

以及其他约束构件。

这些东西可以在一定条件下帮助檩条控制：

侧向移动，

扭转，

局部变形。

特别是屋面板可靠连接以后，

屋面板和檩条之间会形成一定的相互约束。

所以真正设计檩条时，

不仅要看：

檩条自己有多大。

还要看：

它周围有没有约束。

这和前面讲钢柱是完全一样的道理。

我们平时想屋顶荷载，

首先想到的是：

屋面重量往下压。

雪往下压。

人在屋顶上也是往下压。

所以很多人会觉得：

檩条只要能扛住向下的荷载就行。

实际上，

大风来了以后，

屋面可能受到非常大的：

风吸力。

也就是说，

风不是把屋面往下压，

而是在：

往上拔。

这时候檩条的受力方向会反过来。

原来受压的一侧可能变成受拉，

原来受到屋面板良好约束的一侧，

受力状态也可能发生改变。

所以薄壁檩条设计一个很重要的问题就是：

正向受弯能不能满足，反向受弯也能不能满足？

这也是为什么屋面边缘和屋角区域尤其值得注意。

因为这些位置的局部风吸力，

有时候会非常大。

如果设计不合理，

薄壁型钢完全可能出现局部屈曲。

比如一块很薄的腹板受到压应力后，

可能出现波浪状鼓曲。

所以冷弯薄壁构件有一个和普通厚重H型钢很不一样的地方：

不能简单认为整个截面都能百分之百发挥作用。

工程师需要考虑：

哪些板件处于受压状态？

板件有多宽？

厚度有多少？

有没有加劲边？

会不会发生局部屈曲？

有时候一块钢板虽然实际有这么宽，

但真正能够充分参与承载的“有效部分”，

可能会比它的实际宽度小。

所以看起来只是一个薄薄的Z型钢，

背后的计算其实一点都不简单。

“2毫米能跨6米”绝对不是一个通用结论。

同样6米跨度，

檩条到底要多大，

还取决于：

檩条间距，

屋面自重，

活荷载，

雪荷载，

风荷载，

屋面板约束，

檩条钢材强度，

檩条高度，

翼缘宽度，

卷边尺寸，

连续还是简支，

以及规范要求。

比如：

同样一根Z200檩条，

放在风很小的地区，

可能表现很好。

换到强台风地区，

屋角区域巨大的风吸力下，

可能马上就不够。

所以工程里不能简单地说：

“别人2毫米都能跨6米，我这里也一定可以。”

结构设计真正比较的，

永远是：

完整的荷载条件和结构体系。

如果一个屋面有几万平方米，

檩条可能有：

几百根，

甚至上千根。

每根都多加几公斤钢材，

最后就是几十吨甚至上百吨。

而冷弯薄壁型钢最大的价值，

恰恰就是：

用非常少的钢材，形成非常高效的截面。

它轻，

便于运输，

便于安装，

可以工业化生产，

而且和轻型屋面体系非常匹配。

所以薄，

不是缺点。

前提是：

把这份“薄”设计好。

为什么屋面檩条只有两三毫米厚，

却能跨6米？

因为真正决定它能力的，

从来不只是：

钢板有多厚。

而是：

钢板折成了什么形状，

截面有多高，

有没有卷边加劲，

是简支还是连续，

有没有屋面板和拉条约束，

以及它面对的究竟是什么荷载。

一块2毫米的平钢板，

可能软得几乎没有办法使用。

但把它折成一个合理的Z型截面，

再放入完整的屋面体系里，

它就可以成为非常高效的结构构件。

这就是钢结构特别有意思的地方：

材料没有增加多少，

仅仅改变“形状”和“体系”，

能力就可能完全不同。