浅谈隅撑在门式刚架斜梁中的应用与成本影响

浅谈隅撑在门式刚架斜梁中的应用与成本影响

黄胜

（四川大仝山工程科技有限公司 四川成都 610100）

摘要：本文主要介绍隅撑在门式刚架轻型房屋钢结构（重点讨论方向为刚架斜梁）设计中的应用及其对成本的影响。通过设置隅撑提高刚架斜梁稳定性进行分析，探讨隅撑设置的数量（间距）对刚架梁的截面的影响及成本的控制。文章首先简要回顾了门式刚架轻型房屋钢结构的来源以及该体系的基本组成。重点详细说明隅撑的作用，随后通过理论分析并结合笔者最近的实际工程案例，说明隅撑在刚架斜梁实际工程应用中，保证结构安全可靠的前提下如何实现成本控制。本文研究的目的在于为门式刚架轻型房屋钢结构的经济性设计提供一个方向和参考，为该结构体系在成本控制和结构安全性之间达到更好的平衡。

关键词：门式刚架轻钢结构；刚架斜梁；隅撑；结构优化；成本控制；结构安全

1. 引言

门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，该类型上部结构由刚架柱、抗风柱、刚架斜梁、系杆、屋面水平支撑、柱间支撑以及墙屋面系统等组成，因其传力路径明确、受力简单、工厂化制作、现场方便组装、总施工周期较其它体系短、重量轻、造价低、绿色低碳等特点；广泛应用于仓库、车间、大型超市等建筑中，这种钢结构体系因其特别适用于需要大跨度、无柱空间等空旷场所，而很受到业主的青睐。随之而来业主对其成本的投入也就会甚是关注，本文旨在探讨隅撑的设置数量（间距）对钢架斜梁构件截面的影响，从而详细探讨隅撑在实际工程应用中如何有效减少构件的截面，进而减少业主成本投入，同时保证结构的安全性和可靠性。为目前“寒冬”下的设计同行者们，提供一个更加经济性结构方案的方向及参考。

2. 隅撑

2.1 隅撑的来源

根据国家标准GB 51222-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》中的术语解释，隅撑是用于支撑刚架斜梁和柱受压翼缘的支撑杆件。隅撑实际工程中习惯采用成品单角钢居多，隅撑与钢梁或钢柱的夹角理论上是45度为最好，但实际工程中一般可控制在45±15度范围。

隅撑工程参考图片如下：

2.2 隅撑的作用

在门式刚架轻钢体系中，刚架斜梁与柱截面一般都做的比较纤细轻巧，此类构件在刚架平面外是很容易失稳的，故在设计时是必须要重点考虑，构件在刚架平面外的稳定性取决于受压翼缘的侧向刚度，很明显对受压翼缘设置侧向支撑是提高其整体稳定性最好的方法。在风吸力及重力荷载工况下，刚架斜梁上、下翼缘都可能受压；同理在左、右风工况下，刚架柱的内、外翼缘都有可能受压。工程中常利用檩条与墙（屋）面板通过自攻螺钉连接对柱外翼缘和屋面斜梁上翼缘进行侧向约束，而刚架柱内翼缘和刚架斜梁的下翼缘就利用隅撑-檩条体系(或刚性系杆）构成侧向约束。

如上所述隅撑最主要的作用是保证构件的平面外稳定性，减小构件平面外的计算长度，防止刚架斜梁下翼缘和刚架柱的内侧翼缘屈曲失稳，加强构件受压翼缘的稳定性而设置，相对于刚性系杆作为构件平面外计算长度，选择隅撑-檩条体系构成侧向约束，是一种最为经济合理的措施（后续工程案例会对比具体方案说明）。

2.3 隅撑的相关规定

在国家标准GB 51222-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》第7.1.6条中规定“屋面斜梁和檩条之间设置的隅撑满足下列条件时，下翼缘受压的屋面斜梁的平面外计算长度可考虑隅撑作用（弹性支座）：1）在屋面斜梁的两侧均设置隅撑; 2）隅撑的上支承点位置不低于檩条形心线；3）符合对隅撑的设计要求”。

隅撑一般按轴心受压构件进行设计，隅撑成对设置时，每根隅撑的计算轴力可取计算值的1/2，轴力设计值按下式计算：

隅撑与檩条轴线的夹角实际工程中一般控制在45±15度范围。隅撑应采用直径不小于M14的单个螺栓连接；隅撑实际工程中一般采用角钢，参照03版本钢结构规范第8.3.1条，角钢规格不宜小于L50x5。

一般情况，所设计隅撑自身的强度、稳定计算很容易通过，隅撑与檩条的连接强度反而不易算过，原因是檩条厚度通常较薄；实际工程中可在隅撑与檩条的连接处设置一块构造垫板（比如100x100x4~6mm），就很容易把孔壁的承压验算得以通过。

屋面端部斜梁，功能上限制只能单面设置隅撑，鉴于隅撑对梁施加了单向侧向推力，有潜在的危险，故端部斜梁不应设置隅撑，只考虑在中间榀钢架梁设置，这一点在实际工程中应该引起重视。

2.4 隅撑在斜梁中的设置

本文重点介绍用于刚架斜梁的隅撑设置对钢梁截面影响的变化，故后续内容仅对此展开介绍。

在GB 51222-2015版本国家标准未实施之前，行业中经常采用两倍檩距作为屋面斜梁的平面外计算长度，常常默认隅撑可以间隔布置，这是不合理的，因为隅撑不能作为梁的固定侧向支撑，仅是提供弹性支座，在GB 51222-2015第7.1.6.7条中有专门计算弹性屈曲临界弯矩Mcr的计算公式（与隅撑间距有关）。

实际工程中，应保证弹性屈曲临界弯矩Mcr越大越好，故应该加密设置隅撑，对梁平面外计算长度更为有利；后续工程案例具体说明此影响。

3. 结合实际工程案例，隅撑在刚架斜梁的应用分析

笔者最近参与了某项目前期定案：项目为位于四川某地一物流仓库项目，采用门式刚架体系，钢架跨度约为18.5米，柱距9米，山墙面抗风柱间距约为6米，檩条间距按1.5米设置。在此借用本项目案例说明隅撑的设置对梁截面影响，以PKPM 1.4.0版本二维门刚模版计算。由于只考虑隅撑数量变化来对比钢梁截面的变化趋势；故除钢梁截面外的其余参数（荷载、檩条等截面）均保持不变。项目剖面图如下所示：

梁强度计算时均按0.95±0.10的应力比控制（其余挠度、位移等均需满足规范），仅以梁单一应力比（宽厚比需满足）指标来统计截面变化趋势。

①不考虑隅撑作用，以“系杆间距”为钢梁侧向支撑。

②虑隅撑作用，隅撑按檩条间距“隔一布一”布置，作为梁面外侧向弹性支撑。

③虑隅撑作用，隅撑按檩条间距“逐一”布置，作为梁面外侧向弹性支撑。

以上整理表格统计：

通过上述三种方案计算，可知在保证各项指标都满足规范的前提下，第③种方案钢梁重量最小，第②种方案居中，第①种方案钢梁重量最大。主要构件截面的优化，就会为后续防火、防腐涂料等也会节省不少。当然上述并没有统计隅撑的量，但并不影响我们的方案选取，因为隅撑的量相当于钢梁微乎其微，可以忽约不计。

通过以上案例说明，选择隅撑-檩条体系构成钢梁面外侧向约束，的确是一种最为经济合理的措施。隅撑构件虽“小”，但它的作用缺“大”。通过上文2.4节可知，隅撑的设置间距是反应在梁的弹性屈曲临界弯矩Mcr上面的，实际工程工程中，肯定是想方设法增大该Mcr。加密隅撑的设置不失为一种较为理想的方法。

4. 结束语

门式刚架轻型房屋钢结构的设计原则应保证结构安全、经济和美观的统一，设计时需考虑结构的使用功能、施工条件、环境影响及预算限制等因素，以确保结构的合理性和经济性。

在本文中，对隅撑的作用及在门式刚架斜梁中的应用与成本影响进行了全面的探讨，并结合笔者实际的工程项目案例进行了分析，采用加密隅撑的方案，是可以适当优化钢梁的截面，进而减少一些列成本投入。

目前在既有厂房类屋面上增设光伏板项目的也越来越多，很多就需要对此类梁柱构件进行加固处理，加密隅撑配合支撑方案不失为一个较好的方向及参考。在现行情“寒冬”的到来，业主对成本的控制更为关心，而结构专业对成本的控制往往又是起主控作用，这就更需要我们结构工程师在成本控制和结构安全性之间达到更好的平衡，才能在现有“寒冬”行情下更具有优势及竞争力。

参考文献

[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范： GB51022-2015. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]钢结构设计标准：GB50017-2017. 北京：中国建筑工业出版社，2017.

[3]但泽义，柴旭等. 钢结构设计手册下册(第四版). 北京：中国建筑工业出版社，2019.

[4]陈友泉，魏潮文. 门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义. 北京：中国建筑工业出版社，2009.8

[5]汪一骏，冯东等. 轻型钢结构设计手册. 北京：中国建筑工业出版社，2018.

[6]中国建筑第五工程局有限公司：技术质量工艺标准化三维图集（钢结构）.2022

[7]张增全. 门式刚架斜梁及刚架柱上隅撑的作用及计算，四川建材，1672-4011（2009）05-0094-02.