一种适用于由螺钉下压系统约束的檩条弯扭组合设计的替代方法

《Engineering Structures》：An alternate method for the combined bending and torsion design of purlins restrained by screw-down systems

　　

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  提出了一种直接设计方法，用于研究在风吸力作用下承受弯扭组合变形的螺钉固定檩条-屋面板系统。
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  提出了一种基于双力矩的相互作用方程，用于评估螺钉固定檩条-屋面板系统的抗弯承载力。
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  所提出的方法与文献中报告实验结果表现出良好的一致性，平均比值为1.06。

引言

工业建筑中的次结构系统通常由冷弯型钢构件组成，这是由于其具有高强度重量比，且易于加工和搬运。在这类系统中，横向荷载通常相对于剪切中心偏心施加，导致构件承受弯曲与扭转的共同作用。扭转的大小直接受剪切中心与荷载作用点之间距离的影响，而在檩条-屋面板系统中，这通常通过紧固件实现。对于槽钢截面，剪切中心位于截面外部，使其相比Z形截面更容易受到扭转效应的影响。然而，在实际应用中，扭转是无法完全避免的。因此，已有几项研究探讨了承受弯扭组合变形构件的行为，通常采用相互作用方程来提高强度预测的准确性。在檩条-屋面板系统中，固定连接为檩条的侧向和扭转变形提供了部分约束。这种约束对结构响应有显著影响，在分析和设计中必须予以适当考虑。

章节摘要

冷弯型钢构件的扭转行为

早期研究主要集中在承受弯扭组合变形的双对称梁上。Boulton[1]利用Tresca屈服准则，为端部翘曲受约束的I形截面开发了下界解。后来，Dinno和Merchant[2]基于塑性分析提出了弯曲与扭转的相互作用方程。为提高抗扭强度，Wan和Mahendran[3]以及Wan和Mahendran[4]对空心翼缘梁进行了实验和数值研究，

檩条侧向扭转屈曲的 proposed 方法

所提出的方法在概念上与EN 1993-1-3（2006）[9]的方法相似；然而，分离的腹板-翼缘模型被整体截面所取代。扭转通过双力矩直接引入以确定翘曲应力，而不是将扭转转换为施加在分离截面上的等效弯矩。所提出方法的主要优势在于：(i) 消除了部分截面计算，(ii) 取消了横向力修正系数$k_h$，以及(iii)

基于总应力分析的抗拔承载力的讨论

对于槽钢和Z形截面，采用公式(16)评估跨中截面的总应力，忽略侧向扭转屈曲效应(${\chi }^{\prime }$)。采用毛截面模量代替有效截面模量，以确保扭转参数不受影响。评估了深度范围为$160\text{毫米}<h<305\text{毫米}$、厚度$1\text{毫米}<t<3\text{毫米}$以及转动弹簧刚度为$k_r=500\text{N·mm/rad}$的槽钢和Z形截面试件的抗拔承载力。

图9展示了

拟议方程中应力折减系数的评估

在拟议方法中进行了完整的截面扭转分析之后，需要评估槽钢和Z形截面的应力折减系数。稳定性效应通过考虑由扭转引起的翘曲应力以及关于主轴和次轴的弯曲应力来评估。确定稳定性折减系数的一个关键挑战在于纳入侧向约束和转动弹簧刚度的效应。在EN 1993-1-3（2006）[9]中，这些效应

实验结果与设计方法的讨论与比较

收集了Gao和Moen[19]基于压力箱试验报告的42个试件的实验数据（系列S1-1至S1-13、S2-3至S2-5、S6-1至S6-8、S6-11、S6-18至S6-25以及S7-1至S7-3），用于验证所提出的方法。本研究采用了Bai等人[21]报告的弹簧刚度值，这些值是基于EN 1993-1-3（2006）[9]的规定计算的。该数据集提供了承受风吸力的简支檩条的实验结果

设计方程的可靠性

表2显示了来自AISI S100（2024）[20]"特殊情况的强度"章节和"特殊情况的$k_2$"子章节中定义的荷载和电阻系数设计（LRFD）抵抗系数"$?$"。该抵抗系数由以下方程得出。$$?=C_{?}\left(M_m{F}_m{P}_m\right)e^{?{\beta }_o\sqrt{V_M^2+V_F^2+C_P{V}_P^2+V_Q^2}}$$其中，校准系数$C_{?}=1.6$，对于代表抗拔荷载行为的受拉翼缘支撑场景，${\beta }_o=1.5$；对于冷弯型钢，屈服强度通常高于制造商

结论

提出了一种新的基于双力矩的设计方法，用于简支条件下承受弯扭组合变形的部分约束冷弯型钢檩条。通过纳入屋面板系统提供的侧向和转动约束，为槽钢和Z形截面开发了分析模型。

所提出的公式能够准确捕捉双力矩沿跨度的变化，并比等效梁-柱

CRediT作者贡献声明

S. Ravikanth Reddy：撰写——初稿，方法论，调查研究，数据整理，概念构思。S. Arul Jayachandran：撰写——审阅与编辑，指导监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能对本论文所报道的工作产生影响。

S. Ravikanth Reddy|S. Arul Jayachandran