冯辉① FENG Hui；许乐欢② XU Le-huan
（①中建三局一公司钢结构分公司，济南 250101；②山东建筑大学土木工程学院，济南 250101）
（①Steel Structure Branch of the First Construction Engineering Limited Company of China Construction Third Engineering Bureau，
Ji’nan 250101，China；②School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji’nan 250101，China）
摘要： 为了研究门式刚架结构中隅撑对檩条的刚度要求，本文采用ANSYS有限元软件建立了门式刚架结构中斜梁-檩条-隅撑体系的有限元模型，进行了体系的屈曲分析，分别探讨了不同跨度的斜梁体系的屈曲模态。初步分析表明，在较大跨度斜梁体系中，檩条会先于斜梁发生失稳，不能为隅撑和斜梁提供有效的稳定支承。从而说明在大跨度门式刚架中，隅撑会对檩条产生更高的刚度要求。
Abstract: In order to study the requirements of purlin stiffness for angle brace in portal frame structure, this paper established the sloped beam-purlin angle brace finite element model in the portal frame system by the finite element software ANSYS. Specific buckling analysis was carried on and the buckling mode of sloped beam system with different spans is discussed. Preliminary analysis shows that, in the sloped beam of large span system, the purlin will precede the oblique beam buckling and fail to provide stable support for the angle brace and the sloped beam, which means that in the large span portal frame, the angle brace requires higher stiffness of the purlin.
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关键词 ： 斜梁；檩条；隅撑；屈曲
Key words: stringer；purlin；angle brace；buckling
中图分类号：TU391 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）02-0098-02
0 引言
轻型门式刚架斜梁的两端为负弯矩区，下翼缘受压。因此，为了保证斜梁的稳定性，以防发生平面外失稳，需要在受压翼缘两侧布置隅撑作为斜梁的侧向支撑，隅撑的另一端连接在檩条上。檩条是支撑体系的组成部分，能为隅撑提供稳定的支承点。檩条和隅撑作为次要结构，对整体结构的稳定性也发挥着重要的作用，并且为了使钢材的强度得到有效利用，檩条和隅撑都不宜先于斜梁发生破坏。但是在大跨度门式刚架中，斜梁截面面积的明显提高使隅撑对檩条的不利影响增大，且檩条一般采用冷弯薄壁型钢，所以檩条很可能先于斜梁发生失稳破坏。
1 檩条的受力状态分析
在斜梁-檩条-隅撑体系中，檩条的受力状态一般分为两种情况：
①在正常受力状态下，檩条承受来自屋面板的重力荷载和风荷载。该受力状态下，设计规范很明确，已经比较成熟和完备。
②斜梁发生失稳时，檩条的受力状态发生了变化，不仅承受来自屋面的荷载，还要承受来自隅撑的集中力。隅撑的作用是保证斜梁受压翼缘的平面外稳定性，故一般设置在下翼缘受压的梁端部，受力图如图1所示。
如图1受力简图所示，假设斜梁失稳时，左侧隅撑受压，右侧隅撑受拉。每根隅撑都会对檩条产生一个水平力H和竖向力V，同时竖向力V会对檩条产生一个附加弯矩Vh（h为斜梁高度）。此时，附加弯矩会使檩条的应力增加，使檩条变成一个压弯构件。根据隅撑轴心压力的计算公式
（A为实腹刚架斜梁被支撑翼缘的截面面积），斜梁的翼缘面积越大，隅撑的轴力越大，对檩条产生的影响就越大，可能会使檩条先于斜梁发生破坏。
文献[3]提到从隅撑的计算过程发现，某些情况下隅撑对檩条的影响不能忽略，隅撑的存在，必然会在檩条内部产生纵向轴向压力，但是文献并没有进行深入分析讨论，而且关于隅撑对檩条的影响，相关文献较少。
规范中也没有明确规定隅撑对檩条的附加作用，因此本文基于ANSYS的屈曲分析，探讨门式刚架结构体系中斜梁、檩条和隅撑等各构件发生失稳破坏的先后顺序和形态。
2 体系屈曲分析
2.1 分析模型的建立
①结构描述：厂房为单层单跨门式刚架，跨度36m，柱距6m，全长84m，共15榀。刚架柱顶标高为10m，屋面坡度为1:10。梁柱均采用工字型钢，采用Q235钢，斜梁为工字型截面I800*360*12*9，钢柱高度10m，工字截面I600*250*10*8。设计强度f=215MPa，极限强度fy=235MPa。檩条长度取6000mm，C型截面C180*80*3，间距取1500mm。隅撑倾角45°，截面L50×3。
②单元选取：采用的单元分别是：门式刚架中斜梁容易发生弯扭破坏，采用Shell 63单元。檩条存在弯曲变形、剪切变形和扭转变形，采用beam 188单元。隅撑为轴向拉压构件，采用link 8单元。
③单元划分：斜梁：单元控制尺寸应大于跨高比，同时
利于檩条和隅撑的建立，翼缘每90mm划分一个单元，共4个单元；腹板每80mm划分一个单元，共10个单元；沿梁长方向每300mm划分一个单元，共60个单元。
檩条：为便于隅撑的建立，每60mm划分一个单元，共50个单元。
隅撑：采用的杆单元，其本身是一个单元。
④边界条件：斜梁的端部约束为夹支；檩条仅取了实际长度的一半，端部约束为滑支；隅撑与斜梁和檩条的连接均为铰接。
⑤施加荷载：结合实际情况，在斜梁上施加均布线荷载。
⑥模型的建立：当檩条发生反向失稳时，屋面板在檩条的受拉侧，建立简化模型时没有考虑屋面板的影响。将门式刚架简化为斜梁-檩条-隅撑体系，利用ANSYS软件建立斜梁-檩条-隅撑体系模型[1]，如图2所示。
2.2 计算方法 本文采用特征值屈曲分析，此方法可以确定结构开始变得不稳定时的临界荷载和相应的失稳模态，预测理想线弹性结构的理论临界载荷。分析过程中，我们施加单位荷载，首先进行静力求解，然后激活预应力响应，获得屈曲荷载系数和屈曲模态。
2.3 屈曲分析 结构体系的屈曲模态可以反映其不同构件的相对刚度。一阶屈曲模态体现了结构屈曲时最易出现的失稳形态，因此通过模态分析，可以掌握结构构件屈曲发生的先后顺序。
3 结论
通过ANSYS有限元软件，模拟分析了隅撑布置方式不同、斜梁跨度不同的几种情况下，斜梁-檩条-隅撑体系的屈曲模态。从分析中我们得出以下结论：
①跨度为24m和30m的斜梁-檩条-隅撑体系中，斜梁与檩条的线刚度之比比较小，且隅撑刚度较小，斜梁先于檩条和隅撑发生屈曲破坏。说明在跨度较小的斜梁体系中，斜梁失稳时，檩条可以为隅撑提供稳定支承，隅撑体系能够发挥稳定支承作用。
②跨度为36m的斜梁-檩条-隅撑体系中，斜梁与檩条的线刚度之比增大，且隅撑刚度增大，斜梁和檩条都发生了屈曲。说明在跨度较大的斜梁体系中，斜梁失稳时，檩条不能为隅撑提供完全的稳定支承。
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参考文献：
[1]曹峰，王旭锦，孙旭光，曾进.门式刚架中隅撑轴力强度的ANSYS分析[J].工业建筑，2006，36（5）：575-578.
[2]宋新利.门式轻型钢结构的隅撑设计及其受力分析[J].四川建材，2010，36（4）：43-45.
[3]朱立欢.大跨度门式刚架屋面梁平面外稳定的研究[J].工业建筑，2006，36增刊：413-417.
[4]纪福宏，汪一骏.檩条设计中若干问题的探讨[J].钢结构，2005，20（5）：1-3.