【正文】 長(zhǎng)細(xì)比來(lái)確保。 輕型鋼結(jié)構(gòu)的位移指標(biāo)有柱頂側(cè)移和梁柱構(gòu)件相對(duì)變形兩項(xiàng)。位移驗(yàn)算的一般公式為： 38 []ww163。 （ 22） 構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算的一般公式為： []ll163。 （ 23） 必須注意：計(jì)算結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)時(shí)必須采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。 輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般先按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)構(gòu)件截面，然后校核是否滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)較柔，在很多情況下構(gòu)件截面是由位移控制的。相對(duì)而言，對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定問(wèn)題的研究要遠(yuǎn)比 對(duì)于結(jié)構(gòu)位移容許值的研究深入得多。所以，對(duì)于同一類(lèi)結(jié)構(gòu)體系，各國(guó)規(guī)范甚至國(guó)內(nèi)不同規(guī)程對(duì)于位移限值的規(guī)定也不一樣。 輕型鋼結(jié)構(gòu)位移限值的確定必須考慮到以下因素： （ 1）不能影響到次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)之間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)之間的連接承載能力以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接處的水密性； （ 2）不能導(dǎo)致屋面板排水坡度的過(guò)度平緩，從而引起平坡積水和滲漏； （ 3）不能引起屋面和樓面梁以及懸掛天花板產(chǎn)生視覺(jué)上明顯和過(guò)分的撓度； （ 4）由于抗風(fēng)柱的支承，端部剛架梁豎向位移較小，而中部剛架梁位移相對(duì)較大。結(jié)構(gòu)位移不能引起屋脊線(xiàn)的明顯撓曲； （ 5）不能導(dǎo)致維修時(shí)屋面的扭曲運(yùn)動(dòng)； （ 6）風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過(guò)度扭曲運(yùn)動(dòng)及吱嘎有聲； （ 7）不致影響和危及懸掛于剛架梁上吊車(chē)的正常運(yùn)行； （ 8）不致影響和危及軌道吊車(chē)的正常運(yùn)行； （ 9）不能導(dǎo)致內(nèi)外磚墻的開(kāi)裂破壞。 四、荷載及其組合 1．荷載 作用在輕型鋼結(jié)構(gòu)上的荷載包括以下類(lèi)型： （ 1）恒載 (G)：結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備重。按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定采用； （ 2）活載：包括屋面均布活載、檢修集中荷載 (M)、積灰荷載 (D)、雪荷載等。其中，《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ CECS102:98） [2]規(guī)定均布活載的標(biāo)準(zhǔn)值（按投影面積算）取 ；檢修集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值取 或?qū)嶋H值；積灰荷載與雪荷載按現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB500092020)[7]的規(guī)定采用。均布活荷載與雪荷載不同時(shí)考慮，取其中較大值 (記為 L)計(jì)算；積灰荷載與雪和均布活載中的較大值同時(shí)考慮；檢修荷載只與結(jié)構(gòu)自重荷載同時(shí)考慮； （ 3）風(fēng)載 (W)：現(xiàn)行《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (CECS102:2020)[3]對(duì)于風(fēng)荷載的取用是以GB500092020為基礎(chǔ)的，關(guān)于風(fēng)荷載體形系數(shù)是按照美國(guó)金 屬房屋制造商協(xié)會(huì) MBMA《低層房屋體系手冊(cè)》（ 1996）中有關(guān)小坡度房屋的規(guī)定取用的； （ 4）溫度 (T)：按實(shí)際環(huán)境溫差考慮； （ 5）吊車(chē) (C)：按 GB500092020的規(guī)定取用，但吊車(chē)的組合一般不超過(guò)兩臺(tái)； （ 6）地震作用 (E)：按 GB500092020的規(guī)定取用，不與風(fēng)荷載作用同時(shí)考慮。 2．荷載組合 計(jì)算承載能力極限狀態(tài)時(shí)，對(duì)于輕型鋼結(jié)構(gòu)可取下述荷載組合 [1][3][7]： （ 1） +； （ 2） +； （ 3） +。 （ 4） +； （ 5） +(+)； （ 6） +(+)； （ 7） +(+)。 39 （ 8） +(+)； （ 9） +(+) （ 10） ++。 G 、 L 、 D 、 M 、 W 等表示荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。 計(jì)算正常使用承載能力時(shí)，對(duì)于輕型鋼結(jié)構(gòu)可取下述荷載組合： （ 1） G+L； （ 2） G+M； （ 3） G+C。 （ 4） G+W； （ 5） G+L+； （ 6） G+L+； （ 7） G+W+； （ 8） G+C+。 （ 9） G+W+。 （ 8） G+L+。 （ 9） G+W+。 （ 10） G+L+E。 第三節(jié) 計(jì)算模型和計(jì)算理論 一、計(jì)算模型 輕型鋼結(jié)構(gòu)的功能形成過(guò)程可表示為： 梁和柱通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接 → 平面門(mén)式剛架 ↓ 平面剛架通過(guò)支撐和系桿 → 空間剛架 ↓ 圍護(hù)材料 + 基礎(chǔ) → 輕型鋼建筑 忽略實(shí)際結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)后可以得到由空間梁系組成的空間剛架，忽略空間剛架的空間共同工作效應(yīng)后可以得到由平面梁系組成的平面門(mén)式剛架。忽略結(jié)構(gòu)柱腳與基礎(chǔ)之間連接的彈性剛度后可以得到理想的鉸接或剛接的結(jié)構(gòu)支座條件。由實(shí)際輕鋼結(jié)構(gòu)提取計(jì)算模型的過(guò)程如圖 22 所示： 圖 22 輕鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型建立 輕型鋼建筑 空間剛架 平面門(mén)式剛架 鉸接或剛接支座的平面門(mén)式剛架 忽略蒙皮效應(yīng) 忽略空間共同作用效應(yīng) 忽略柱腳與基礎(chǔ)之間連接的彈性剛度 40 計(jì)算模型的簡(jiǎn)化和建立必須符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)；反過(guò)來(lái)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也必須考慮到現(xiàn)有理論能夠分析其計(jì)算模型 。 二、蒙皮效應(yīng) 在垂直荷載作用下，坡頂門(mén)式剛架的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是屋脊向下、屋檐向外變形。屋面板將與支撐檁條一起以深梁的形式來(lái)抵抗這一變形趨勢(shì)。這時(shí)，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而邊緣檁條承受軸力起深梁翼緣的作用。顯然，屋面板的抗剪切能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗彎曲能力。所以，蒙皮效應(yīng)指的是蒙皮板由于其抗剪切剛度對(duì)于使板平面內(nèi)產(chǎn)生變形的荷載的抵抗效應(yīng) [26][28][29]。對(duì)于坡 頂門(mén)式剛架，抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應(yīng)取決于屋面坡度，坡度越大蒙皮效應(yīng)越顯著；而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應(yīng)則隨著坡度的減小而增加，見(jiàn)圖 23 所示。 壓型鋼板壓型鋼板面板受剪區(qū)面板受剪區(qū)山形門(mén)式建筑的受力蒙皮作用 平屋頂建筑的受力蒙皮作用 圖 23 蒙皮效應(yīng) 構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的是蒙皮單元。蒙皮單元由兩榀剛架之間的蒙皮板、邊緣構(gòu)件和連接件及中間構(gòu)件組成，如圖 26 所示。邊緣構(gòu)件是指兩相鄰的剛架梁和邊檁條（屋脊和屋檐檁條），中間構(gòu)件是指中間部位檁條。 屋脊檁條屋檐檁條剛架梁屋面板 圖 24 蒙皮單元 蒙皮效應(yīng)的主要性能指標(biāo)是強(qiáng)度和剛度。蒙皮單元有以下三種強(qiáng)度破壞的可能性： 邊緣構(gòu)件可能產(chǎn)生壓彎失穩(wěn)破壞或強(qiáng)度破壞，這類(lèi)破壞屬于脆性破壞，在實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免。 這也是一種脆性破壞，當(dāng)荷載較大、鋼板較薄或板型較差時(shí)可能發(fā)生，在實(shí)際工程中也應(yīng)盡量避免。 41 連接破壞包括板之間的連接破壞和板與邊緣構(gòu)件間的連接破壞。板與檁條之間的連接在平行于檁條方向的破壞屬于脆性破壞，其他破壞都屬于延性破壞。 影響蒙皮單元?jiǎng)偠鹊囊蛩刂饕幸韵氯齻€(gè)： ： 蒙皮板的變形包括板的拱褶扭曲變形（所謂的“手風(fēng)琴”效應(yīng)）和剪切變形。 一般而言，中間構(gòu)件對(duì)蒙皮單元的剪切剛度影響不大，但對(duì)強(qiáng)度影響較大。在屋面板型選中后，連接件和邊緣構(gòu)件直接影響了蒙皮單元的抗剪剛度和強(qiáng)度。 由于蒙皮效應(yīng)，實(shí)際輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，壓型鋼板在宏觀(guān)上參與了受力，為剛架構(gòu)件分擔(dān)了一部分外荷載，同時(shí)在有良好連接的情況下為這些構(gòu)件提供了很好的側(cè)向約束和扭轉(zhuǎn)約束，改善了結(jié)構(gòu)的受力條件。特別對(duì)于受穩(wěn)定控制的薄壁剛架構(gòu)件和檁條構(gòu)件，蒙皮效應(yīng)尤為顯著。然而，由于 蒙皮效應(yīng)的機(jī)理和作用條件及效果十分復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中定量地應(yīng)用蒙皮效應(yīng)還有一定困難。所以，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程沒(méi)有明確給出利用蒙皮效應(yīng)的條款，所有設(shè)計(jì)計(jì)算公式都忽略了蒙皮效應(yīng)，只是規(guī)定在有充分依據(jù)的條件下可以考慮蒙皮效應(yīng)。然而，必須注意的是，設(shè)計(jì)中無(wú)論我們是否考慮蒙皮效應(yīng)，蒙皮效應(yīng)客觀(guān)上都是存在的。例如，現(xiàn)行輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)水平位移的限制是很寬的，但實(shí)際上結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)值總是遠(yuǎn)小于計(jì)算值；而實(shí)際工程中也發(fā)生過(guò)屋面壓型鋼板在正常工作荷載下率先發(fā)生破壞的工程事故。所以，忽略蒙皮效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法有時(shí)能得到偏于安全的結(jié)果 ，有時(shí)又恰恰相反。考慮蒙皮效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法并不僅僅具有經(jīng)濟(jì)上的意義，更重要的是可以使結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)更加一致。 三、一階彈性理論和二階彈性理論 輕鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算采用一階彈性理論，即線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。一階彈性理論的基本假定是結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較小位移引起的二階效應(yīng)可以忽略不計(jì)。如果結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移采用一階彈性理論可以得到足夠精確的分析結(jié)果，這類(lèi)結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為線(xiàn)彈性結(jié)構(gòu)。 一階彈性理論具有線(xiàn)性的可疊加特性，即：荷載效應(yīng)的組合結(jié)果與荷載組合后的效應(yīng)分析結(jié)果是一致的。荷載效應(yīng)的組合結(jié)果 是指：首先進(jìn)行各單個(gè)荷載工況下的內(nèi)力和位移效應(yīng)分析，然后進(jìn)行效應(yīng)組合疊加所得的結(jié)果；荷載組合后的效應(yīng)分析結(jié)果是指：首先進(jìn)行荷載的組合疊加，然后進(jìn)行各組合荷載下的內(nèi)力和位移效應(yīng)分析結(jié)果。按照我國(guó)現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，內(nèi)力和位移的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是荷載效應(yīng)的組合結(jié)果。事實(shí)上，輕鋼結(jié)構(gòu)的分析可以取荷載效應(yīng)的組合值，也可以取荷載組合下的效應(yīng)分析值，這兩者是一致的。但必須注意，各單個(gè)荷載工況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的最大內(nèi)力（位移）所在的位置是不一樣的，效應(yīng)組合時(shí)必須計(jì)算并比較確定最大的效應(yīng)組合值及其相應(yīng)的位置；而確定組合荷載 作用下的構(gòu)件內(nèi)最大內(nèi)力（位移）及其相應(yīng)的位置相對(duì)而言較為直接和容易。 事實(shí)上，一階彈性理論是近似的。結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移會(huì)產(chǎn)生桿端內(nèi)力的 ??P 效應(yīng)，而桿件本身的變形也會(huì)產(chǎn)生桿身內(nèi)力的 ??P 效應(yīng)，見(jiàn)圖 25 所示。 ??P 和 ??P 效應(yīng)反過(guò)來(lái)又會(huì)引起結(jié)構(gòu)位移的變化。這樣的相互耦聯(lián)和相互影響的效應(yīng)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)。如果結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)較大而不可忽略，必須采用二階彈性 理論分析其內(nèi)力和位移，相應(yīng)的這類(lèi)結(jié)構(gòu)也被稱(chēng)為非線(xiàn)性彈性結(jié)構(gòu)。 圖 25 結(jié)構(gòu)的 PD 和 Pd 效應(yīng) 二階彈性理論不具有線(xiàn)性的疊加性質(zhì)，即：荷載效應(yīng)的組合結(jié)果不再等于荷載組合后的效應(yīng)分析結(jié)果。非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是指組合荷載作用下的效應(yīng)。所以，必須首先對(duì)各荷載工況進(jìn)行組合，然后進(jìn)行 42 組合荷載作用下的結(jié)構(gòu)二階彈性分析。 一階彈性理論適用于線(xiàn)彈性結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力和位移計(jì)算值可以取荷載效應(yīng)組合值或 荷載組合下的效應(yīng)計(jì)算值；二階彈性理論適用于非線(xiàn)性彈性結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力和位移計(jì)算值必須取荷載組合下的效應(yīng)計(jì)算值。 四、薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)力學(xué) 輕型鋼結(jié)構(gòu)中主剛架一般由焊接或軋制型鋼截面組成，內(nèi)力分析采用一般結(jié)構(gòu)力學(xué)理論。一般結(jié)構(gòu)力學(xué)理論研究結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的彎曲問(wèn)題，其重要假定是平截面假定，構(gòu)件因彎曲產(chǎn)生截面彎曲正應(yīng)力 ? 和彎曲剪應(yīng)力 Vt 。 次結(jié)構(gòu)的檁條一般為冷彎薄壁截面，冷彎薄壁型鋼是在室溫下將較薄的鋼板或帶鋼通過(guò)冷軋或沖壓等加工手段，彎 折成的各種截面的型鋼。由冷彎薄壁構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)的分析應(yīng)采用薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)力學(xué)。薄壁構(gòu)件力學(xué)研究構(gòu)件的彎曲和扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，其重要假定是截面剛周邊假定，構(gòu)件截面內(nèi)的應(yīng)力包括彎曲正應(yīng)力s 、彎曲剪應(yīng)力 Vt 、翹曲正應(yīng)力 ws 、自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 Tt 和約束剪應(yīng)力 wt 。 開(kāi)口薄壁構(gòu)件在外力作用下往往同時(shí)產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形 。構(gòu)件彎曲會(huì)產(chǎn)生截面正應(yīng)力 ? 和剪應(yīng)力 Vt 。薄壁構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)有自由扭轉(zhuǎn)和約束扭轉(zhuǎn)兩類(lèi)。自由扭轉(zhuǎn)只產(chǎn)生剪應(yīng)力 Tt ；約束扭轉(zhuǎn)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生剪應(yīng)力 wt 和翹曲正應(yīng)力 ws 。 在平行于形心主軸的外力作用下，如果外力與截面剪力流在兩個(gè)形心主軸方向和扭轉(zhuǎn)方向平衡，這個(gè)外力的作用線(xiàn)就是剪應(yīng)力流的合力作用線(xiàn)，如圖 26 所示。薄 壁構(gòu)件中的彎曲剪應(yīng)力計(jì)算公式為： V