轻钢结构单层厂房整体稳定性的影响因素分析

程火焰，朱荡荡

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭411201）

轻钢结构快速发展，其结构建筑重量轻、整体刚性好、强度高、变形能力强、节能环保、施工速度快、造价低等优点突出，致使有快速取代预应力钢筋混凝土预制构件单层厂房趋势明显，但在轻钢结构发展中，还存在由局部失稳造成整体失稳等许多问题有待研究实践和提高发展.了解和分析近几年轻钢结构单层厂房倒塌等事故现象的分析，总结失稳破坏主要因素及注意事项.

1 结构失稳原因分析

1.1 设计条件与实际情况不符

通过对湘潭某公司生产基地厂房在2008年冰雪灾害中发生主体结构大面积坍塌事故（见图1和图2）进行现场调查，通过对已经坍塌冰雪融化3天后的厂房屋顶所积冰雪的厚度进行测试，最厚处平均深度达到150～170mm，取平均厚度为160mm，且下层的冰雪厚与上层的雪厚度对等各80mm，屋面彩色压型钢板按照实测的冰雪厚度（压板顶部只按雪载考虑），经测试换算分析，屋面每平米积冰雪重量达到93kg（其中取冰雪密度取800kg／m3，不均匀系数取0.7，雪的密度取600kg／m3）.

根据该工程设计说明（设计单位为：湘潭市建筑设计院，日期为2004年4月），其结构设计屋面活荷载0.45kN／m2，换算为屋面每平米积活荷载为44.1kg.上述测定的屋面实际冰雪活荷载每平米93kg为设计荷载的2倍之多，远远超出设计荷载的计算值.

1.2 局部失稳导致整体失稳

（1）高低跨屋面或高女儿墙使雪荷载的分布发生变化，堆雪荷载已被严重放大，局部荷载甚至放大了3倍，分布系数达到4.0，远远超出了规范要求1～2的范围.同时天沟冻结排水不畅导致积雪严重，造成轻钢厂房的局部破坏，当厂房局部失稳时，檩条拖拽与之相连的梁柱，造成厂房的整体失稳，并非梁柱本身强度不够.

在一般的钢结构施工中，离不开焊接技术的应用.由此产生的焊接接头在力学性能和组织上具有不均匀性等特点，在结构破坏时，焊缝接头是相对比较薄弱的部位，因此焊接接头质量的可靠性往往是整体结构可靠性的决定因素，也是判定结构可靠性的关键.

2 细部结构方面对结构失稳的影响

2.1 蒙皮效应

维护体系在轻型钢结构中通常采用各种类型的夹芯钢板或压型钢板.这些围护板与檩条以及板与板之间在构造上通过不同类型的紧固件连接起来，使这些维护结构在一定程度上具有很大平面刚度（以檩条作为其肋），围护系统与边柱共同承受平面内的水平荷载，加强了结构的整体工作性能，这种维护体系的整体效应称作蒙皮效应［1］（轻型钢结构房屋设计，压型钢板对结构整体刚度的贡献）.

一般的轻型钢结构房屋和网架设计，压型钢板仅作为屋面、墙面等围护体系，通常未考虑其刚度对房屋结构整体刚度的贡献.但是如果将压型钢板与支承压型钢板的结构构件之间进行可靠的连接，则压型钢板可为与之相连的受压和压弯构件提供连续侧向支撑，从而提高这些构件的稳定承载力和结构的整体刚度.考虑蒙皮效应就是指在建筑物表面覆盖的屋面板和墙板后，利用其自身平面内的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用［1］，考虑了蒙皮效应的轻钢结构的设计不仅使结构的受力更加符合实际情况，还可以获得相当可观的经济效益.

2.1.1 蒙皮效应的工作原理

蒙皮效应的产生必须满足以下条件：

（1）必须有足够的梁及连接将蒙皮板所受的力传递到主体结构中去；

（2）板与板之间的连接必须牢固可靠；

（3）蒙皮板与梁和檩条之间必须有足够强度的连接；

（4）蒙皮板的收边处与边梁必须有足够强度的连接以保证承担蒙皮板作用产生的边界约束力.

2.1.2 影响蒙皮效应的因素

影响闭口压型钢板蒙皮单元抗剪性能主要有压型钢板板型、板厚、板檩连接件间距、板接缝处连接件间距、檩条间距及檩条截面尺寸六个较为明显的因素，其中板檩连接件的间距大小以及板接缝处连接件的间距大小对蒙皮单元的抗剪性能影响最为显著.对开口压型钢板蒙皮单元抗剪性能也主要有六个较为明显的因素按强弱程度依次为［2］：开口周边支撑状况、板檩连接件的布置间距、板缝连接件的布置间距、开口位置、开口面积及开口数量，因此蒙皮结构的设计中应特别注重开口周边支撑加劲构件的设置以减小开口出现对蒙皮效应的降低，加强蒙皮单元抗剪刚度.国外文献规定，开洞面积小于2%可以不必考虑对蒙皮效应的削弱，当开洞面积大于15%时则蒙皮效应不可以利用，针对我国实际情况还待进一步研究.

2.1.3 蒙皮效应在设计和施工中的注意事项

2.1.3.1 蒙皮效应在设计中的注意事项

（1）在蒙皮板产生蒙皮效应的同时，适当加强端钢架的刚度和边缘构件的强度及连接，使其更好的发挥抗侧移能力.

（2）因为蒙皮板的长宽比过大，会使蒙皮板的蒙皮效应降低，导致蒙皮板过早屈曲，所以在设计中应该选择合理的尺寸.

（3）严格控制蒙皮板与檩条以及蒙皮板接缝处连接件的间距.

2.1.3.2 蒙皮效应的施工技术控制

在施工过程中，由于结构自重和施工荷载不断变化，对结构构件的影响也在不断的变化.如果在设计当中，考虑了蒙皮效应对整个结构稳定性的贡献（在设计图纸中应明确标识并不得随意拆除），在蒙皮板未安装完毕之前必须有严格的施工质量保证体系，采取临时的支撑措施并经验算合理，方可继续施工.

2.2 支撑和拉杆

2.2.1 支撑的布置

在满足结构稳定和安装要求的前提下，支撑的布置应符合简洁、合理、构件的多功能性等要求.

为了确保结构在空间上的稳定，在每个温度区段应设置独立的支撑体系，支撑体系除了考虑传递风荷载，还应照顾到施工时的需要.一般除端部设置支撑外，中间每隔5～6个开间（30～40m）应设置一道支撑.屋盖横向支撑的布置应与柱间支撑相对应.当建筑物两端墙的抗风柱间距不同时，应将屋面支撑与抗风柱对齐，以利于两山墙水平力的传递，同时檩条也应做相应的调整，如图3所示.

图3 山墙柱距不等时屋面支撑布置图

2.2.2 支撑的形式

支撑在建筑中很常见，按其形式可分为交叉支撑、V型支撑、八字支撑、人字支撑、门式支撑、K型支撑等，设计者应根据工程的实际情况，寻求合理、经济的支撑形式.

2.2.3 支撑节点的设计（如图4所示）

图4 支撑节点设计

专用的锲型垫圈适合于不同尺寸的支撑，安装简捷方便但制作繁琐，适宜于标准化的生产.同时锲型垫块也可用角钢代替，通过切肢来满足不同尺寸的支撑.安装调试完毕，螺母拧紧后，对丝口进行打毛以防止螺母松动.

支撑的连接一般在梁、柱的腹板上开孔，然后用垫块和螺母固定.由于腹板的厚度较薄，在支撑处应力比较集中，腹板存在屈曲的可能性，因此对开孔处腹板应采取局部加厚或设置加劲肋等措施.

2.3 隅撑

2.3.1 隅撑对轻钢厂房抗震性和稳定性的影响

隅撑是指连接钢梁和檩条的接近45°方向斜撑（在梁上的连接点靠近梁的下翼缘板），它通过连接屋面檩条、墙面围梁和钢架梁、柱受压翼缘板或腹板（如图5所示），起到远端翼缘板平面内支座作用，减小翼缘板平面外计算长度，从而阻止构件侧向失稳.同时隅撑也是一种新型的耗能构件，在弹性阶段，隅撑支撑主要为结果提供抗侧移刚度，承担竖向荷载.在弹塑性阶段，隅撑发生屈曲，通过塑性变形来抵消地震能量，使厂房的主要构件免受损害.

图5 隅撑的连接

2.3.2 隅撑的设计与要求

隅撑支撑框架（knee－braced frame，KBF）的设计原理和偏心支撑框架（EBF）有很多相同之处，但KBF有其独特的优势［3］：一方面，隅撑属于次要构件，便于更换，而EBF的耗能梁段的更换有很大的难度.另一方面，当隅撑形成塑性铰之后，由于支撑跨的梁柱刚接和隅撑的作用，梁柱节点处的弯矩仍较小，梁柱节点暂不会形成塑性铰，使得支撑跨框架仍具有一定的抗侧刚度，因此KBF框架比EBF框架后期刚度更有利.这种细部结构上设计对建筑物整体结构在大震情况下不倒塌具有极其重要的意义.

（1）几何布置：考虑到结构的层高绝一般在3～4m，参考已有的研究成果，要求隅撑的布置应满足如下的条件：b／B＝h／H＝0.2～0.4，当层高较大时取较小值.

（2）隅撑截面形式：隅撑作为KBF中的重要构件，通过隅撑的塑性变形来提供框架结构的延性和耗能能力.由于隅撑处不便设置横向支撑，所以隅撑的截面应具有较大的平面外回转半径.隅撑采用箱形截面最为合适，当条件限制时，宽翼缘H型钢也是可以采用的截面形式.

（3）隅撑长度：隅撑的长度和截面尺寸影响着框架横向刚度和强度，为了确保隅撑的平面外稳定性，隅撑与梁柱之间的连接应采用刚接，所以隅撑的长度应根据两端固定并形成较好的剪切型塑性机构来确定.

①对于工字形截面，隅撑的净长为：

②对于箱形截面隅撑，长度为：

式中bf，tf，d ，tw分别是隅撑翼缘宽度、厚度、截面高度和腹板厚度，fy是隅撑的屈服应力，Mpf是隅撑只考虑上下翼缘的屈服弯矩，Vpw是隅撑腹板剪切屈服时的剪力，如果隅撑内的轴力较大，则

同样隅撑的长度也可以根据EBF工字形截面剪切型耗能梁段的净长度要求来计算.

式中：Mpk是隅撑全截面塑性弯矩，Vpk是隅撑截面腹板屈服的剪力.

（4）为了保证主支撑杆－隅撑体系的平面外稳定性，主撑杆和隅撑以及梁柱之间的连接宜采用刚接，且细部构造应尽量避免应力集中，在条件允许的情况下，尽量采用螺栓连接，确保强节点弱构件，便于震后的修复和提高抗震性能.

（5）在楼层平面内，隅撑和梁的连接节点，宜采用水平隅撑，将纵向梁与框架梁相互支撑，这既保证了纵向梁和横向框架梁负弯矩区的稳定性，同时也是KBF本身的需要.

3 结论与建议

钢结构的稳定问题区别于强度问题.其基本构件的稳定性问题，是钢结构设计中的关键问题之一.本文通过对湘潭风光汽车有限公司江南汽车九华生产基地厂房及近几年轻钢结构单层厂房倒塌事故现象进行综合分析.提出以下几点结论与建议：

（1）从轻钢厂房设计和施工的角度分析，影响轻钢厂房稳定性的因素主要包括：外界荷载条件超过了结构承载力的要求、工程施工质量控制的缺陷以及结构的局部破坏导致厂房的整体失稳.

（2）在进行工程设计时，应充分考虑蒙皮效应对厂房稳定性的贡献.这样不仅有利于结构的受力而且可以获得相当可观的经济效益.

（3）应充分考虑支撑、拉杆和隅撑对厂房整体结构的作用.

［1］ 季 渊，童根树.轻钢结构应力蒙皮设计研究综述［J］.工业建筑，2002，32（12）：61－63.

［2］ 郑 瑾.轻钢建筑围护体系蒙皮效应的试验及理论研究［D］.上海：同济大学博士学位论文，2007.

［3］ 童根树，黄金桥.隅撑支撑框架结构的性能及其设计方法［J］.建筑钢结构进展，2008（5）.

［4］ 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南［M］.中国建筑工业出版社，1996.

［5］ 陈 骥.钢结构稳定理论与设计［M］.科学出版社，2003.

［6］ 祖 炎.钢结构学［M］.中国建筑工业出版社，2005.