低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II（12）
第一节 墙拉紧
这个部分的墙拉紧规定适用的建筑物归类于地震设计种类A、B和C，并且建筑物位于基本风速145km/hr或更小的区域。
在《说明性方法》里认可的三种不同的拉紧方法是：
■钢材拉带拉紧（斜的X型拉紧）
■结构覆盖物（夹板或OSB）
■钢板（在疾风和高地震区域里）
一、拉带拉紧（X型拉紧）
在《说明性方法》里的墙拉紧是保守的限于采用连续的覆盖墙，带有限制性的荷载条件和
建筑物几何图形。必须根据批准的工程惯例来设计应用钢板斜支撑（拉带）。
二、结构覆盖物
钢材骨架墙的剪力墙试验为结构覆盖物部分提供了必要的数据来开发规定和数据表格。所有试验都是基于覆盖板来进行的，拉紧方法是采用11.9mm夹板或11.11mm定向纤维板（AISI，1998）。
在《说明性方法》里的墙拉紧要求是基于工程方法，利用了可以采用的技术知识。夹板或定向纤维板允许的剪切能力是基于总结在AISI《剪力墙设计指南》（AISI，1998）的表1里的试验结果。涉及这个文件的荷载试验结果总结在表C-E8.1里。
表C-E8.1 冷轧钢骨架墙名义剪切值(AISI,，1998)①②③④
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墙的描述 |
平均最终能力/N/m |
在12.7mm挠度时的平均荷载/N/m |
允许的剪切荷 载能力/N/m 安全系数=2.5 |
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11.9mm夹板，APA等级覆盖物w/板在一侧 |
15543 |
7414 |
6202 |
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11.11mmOSB，APA等级覆盖物w/板在一侧 |
13280 |
8654 |
5312 |
单位换算：1inch=25.4mm，1plf=14.8N/m
① 骨架柱子中心间距610mm。
② 柱子和导轨：89S41-0.84和89T41-0.84都是ASTM A653等级33（即228MPa）。
③ 骨架螺钉：ST4.2×15.88mm圆片头自钻螺钉；
覆盖物螺钉：ST4.2×25.4mm平头（粗牙）、尖头、自钻螺钉，在板边缘为152.4mm中心间距，在中间构件上为305mm中心间距。
④ 在墙的内部是12.7mm石膏墙板。
在《说明性方法》里要求把整个建筑物全部覆盖起来（除了门和窗户开口，一切受全高覆盖物的最小长度限制）。因而，在小风区域里就很少或没有风抬起压力，并且因此而采用5.39kN/m的允许剪切能力确定墙拉紧要求。在12.7m挠度的墙试验样本上，允许能力小于荷载记录。
为了确定侧向力，计算各种各样的建筑物表面风荷载，采用的是ASCE 7（ASCE，1998）的直角风荷载方法。根据二个最坏的直角风方向情况，把下风和上风建筑物表面所组成的标准附属区域分配到每个外部剪力墙上（即侧墙和端墙），确定由这些墙抵抗的侧向力，平面内剪切荷载。没有考虑内部墙或替代的剪切路径。为了能够研究广泛的建筑物几何图形和荷载条件，已经开发出计算机电子数据表格来进行这些计算。
基于上面的荷载计算描述，确定了全高结构覆盖物的数量要求，现在采用的是5.39kN/m的允许覆盖能力。然后在《说明性方法》适用性限制里定义的建筑物的几何图形范围之上，把全高覆盖物的长度要求制成表格，例如侧墙和端墙的墙长度的百分比。从底部导轨一直覆盖到顶部导轨，中间没有开口中断（即在窗户和门开口之间的墙的全部长度）的全高覆盖物的墙的长度定义为墙片段的总和。更进一步说，除非有另外的许可，否则单独的墙片段长度必须是1.22m或更长，为给定的墙线提供要求的全高覆盖物的长度。
在《说明性方法》的墙拉紧表格里，基本的说明性方法最后一步是要求适当的减少全高覆盖物墙的最小百分比长度。唯一保留下来的建筑物几何图形参数是屋顶坡度，因为屋顶坡度对于转移到剪力墙上的风荷载影响重大。剪力墙表格的注脚提供了正确应用要求的额外资料。
三、结构覆盖物紧固件
结构覆盖物的紧固件在周边通常是152mm间距，在中央是305mm。当这个间距减少到102mm（只是周边间距）时，就允许把全高覆盖物的百分比乘以0.72。
四、压紧要求
在风条件大于161km/hr，位向C时，根据《说明性方法》，就需要压紧支架稳定剪力墙。压紧支架应该由认可的拉带或支架组成，拉带或支架要充分的固定到柱子的底部，并锚固到基础、楼层或下方的墙上，以形成到基础的连续荷载路径。压紧也可以更多的减少全高覆盖物的数量要求，或增加墙的剪切（变形）强度。
第二节 外部墙覆盖物
建议根据制造商的建议来安装外部覆盖物。《说明性方法》限定总的外部围合静荷载（全荷载=柱子骨架加墙覆盖物）为0.48kN/m。如果全部外部围合静荷载超过了这个数值，那么墙就必须要按照荷载进行结构设计（在高地震区域里的最大墙静荷载见表A1-2）。
第三节 在疾风和高地震区域里的墙拉紧
一、概要
这个部分为位于高地震区域（即地震设计种类D1、D2和E）或疾风区域（即风速在161到209km/hr之间）里的建筑物提供了额外的剪力墙要求。在高地震区域里，要求建筑物符合《说明性方法》的E11和E12，而在疾风区域里，则要求建筑物符合《说明性方法》的E11和E13。
下面的一般假定和建筑物外形是用于开发高地震和疾风规定的：
■规定和表格限定的建筑物不超过二层。
■规定和表格限定的建筑物是在参考水准面上的混凝土地面上或是在带有茎墙基础系统
的展开式基脚上，带有量身定制的混凝土顶部或抬高的茎墙顶部。
■墙净高度是限于2.44、2.74和3.05m。
■最大屋顶坡度限于6.9:12。
■所有天花都考虑为水平的（即没有偏移或大教堂式天花）。
■建筑物考虑为规则的（矩型形状）。
■假定第一和第二层墙垂直堆放（没有偏移）。
在计算高地震区域里各个表格时所用的重量如下：
■屋顶（Dr）/天花静荷载（Dc）=1.2kN/m2 针对笨重重量的屋顶
=0.72kN/m2 针对正常重量的屋顶
=0.57kN/m2 针对轻的重量的屋顶
■屋顶静荷载（Dr） =0.67kN/m2 针对笨重的墙
=0.34kN/m2 针对轻的墙
■楼层（Df）/天花静荷载（Dc）=0.48kN/m2
■内部墙静荷载（Dw） =0.24kN/m2 （基于3.04m墙）
■地面雪荷载（S） =1.44kN/m2 针对正常的或轻重量的屋顶
=3.35kN/m2 针对笨重重量的屋顶系统
■屋顶重量包括610mm悬挑。
用来确定地震质量的静荷载假定如下：
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墙要素 |
重量/N/m2 |
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轻重量的墙 |
沉重重量的墙 |
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墙板 |
86 |
86 |
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钢材骨架 |
29 |
29 |
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12.7mm夹板覆盖物 |
77 |
77 |
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保温材料 |
48 |
48 |
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22.23mm Stucco |
0 |
431 |
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外部挂板 |
72 |
0 |
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合计 |
311 |
670 |
单位换算：1psf=47.9N/m2
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屋顶要素 |
重量/N/m2 |
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平屋顶 |
坡屋顶（6:12） |
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覆盖物 |
77 |
78 |
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屋顶骨架或桁架 |
120 |
120 |
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保温材料 |
48 |
48 |
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其它 |
29 |
40 |
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天花覆盖物 |
86 |
86 |
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小计 |
359 |
373 |
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全部采用177N/m2覆盖物的屋顶 |
551 |
575 |
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全部采用306N/m2覆盖物的屋顶 |
680 |
718 |
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全部采用733N/m2覆盖物的屋顶 |
1125 |
1197 |
单位换算：1psf=47.9N/m2
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屋顶种类 |
屋顶/天花重量/kN/m2 |
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轻重量的屋顶 |
0.57 |
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正常重量的屋顶 |
0.72 |
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笨重重量的屋顶 |
1.20 |
单位换算：1psf=47.9N/m2
在开发高地震区域里的剪力墙和其它表格时所用的设计假定如下：
■正常的剪切值取之《国际建筑规范》（International Building Code，即IBC）(ICC, 2000a)的表2211.1(3)。
■根据《国际建筑规范》（IBC）（ICC，2000b）的表R301.2.2.1.1，规定地震设计种类（SDC）。
■根据《国际建筑规范》（IBC）（ICC，2000a），采用R=5.5和Ω0=2.5计算地震基本剪力。每个地震设计种类（SDC）都采用SDC上限值。
■把横隔层考虑为柔软的，而不时刚性的。根据所采用的《国际建筑规范》（IBC）（ICC，2000a），不需要包含附属扭矩和把Ω0从3减少到2.5。
■把系数φ和过强度系数Ω0结合起来使用，以确定弦杆拼接的螺钉要求。
■在确定螺钉能力时，是用σu=310MPa和σy=230MPa代替IRC（ICC，2000b）允许的1.08屈强比。剪力墙试验值是基于230/310MPa钢材。
■弦杆拼接螺钉要求是基于Ω0乘以T地震或Vn除以Tn的较小者。考虑的是89mm和140mm构件，以及0.84mm和1.09mm厚度。
■在地面雪荷载为3.35kN/m2的地方，采用笨重的屋顶系统标准。
例如：对于正常重量的屋顶，由3.35kN/m2地面雪荷载引起的荷载
=0.72kN/m2+0.2×0.7×3.35kN/m2=1.19kN/m2（等于笨重重量的屋顶系统）
二、拉紧墙线
在这个部分里呈现了二种类型的拉紧墙线：类型I和类型II拉紧墙。类型I拉紧墙线是传统的剪力墙，在每一端都有压紧螺栓，并且在螺栓之间没有开口。类型II拉紧墙线，也称为开口剪力墙，是在锚栓之间带有开口，并且没有在开口周围设计转移剪力的剪力墙。
三、类型I（实心的覆盖物）拉紧墙板
这个部分描述了传统的覆盖钢材骨架墙的方法，在连续的墙板的每一端都有压紧锚栓。在开发这些规定时采用了纵横比，比如这种类型墙的纵横比就是2:1。
四、类型II（开口的）拉紧墙线
类型II拉紧墙，或开口剪力墙方法，需要在每一面墙的端部压紧，而不是压紧连续的板的每一个端部。这种类型墙的纵横比也是2:1。为了定义类型II（开口剪力墙），在表E11-2里给出了调整系数，必须用这个调整系数除以实心墙的强度来得到的类型II（开口）墙的强度。数据表格采纳了木材骨架建筑数据，这些数据取之Vagh，Dolan和Easterling（2000年）以一系列实物尺寸建筑为基础进行的循环试验，试验证明墙的能力要比表格里建议的缩减量要大。
第十节在高地震区域里的拉紧墙设计
一、拉紧墙锚栓和弦杆柱子要求
在高地震区域里，压紧和适当的弦杆柱子的数量和厚度本质上是允许建筑物抵抗抬起力。
二、墙顶部导轨
顶部导轨拼接应该足够转移横隔层力。表E12-5为每个拼接提供了螺钉的数量要求。
第十一节在疾风区域里拉紧墙设计
一、在疾风区域里墙的连接
㈠ 过梁抬起连接
在2004年，《说明性方法》里增加了图来示范把过梁抬起连接到背靠背梁上。对于只支撑屋顶和天花的背靠背过梁来说，为了将所有扭矩的影响减到最少，这些规定要求在过梁的二侧（墙的内侧和外侧）安装抬起拉带。委员会感到这是适当的，因为背靠背过梁缺乏足够的扭转强度和刚度。对于支撑一层、屋顶和天花荷载的背靠背过梁和任何箱型和双L型过梁来说，允许采用单独的抬起拉带，并且可以安装在过梁的任何一侧。
第七章屋顶骨架
第一节 屋顶建筑
在《说明性方法》里的屋顶建筑是限于屋顶椽子和天花托梁。在《说明性方法》里没有说明性的提出屋顶桁架，但允许并必须由设计专业人员进行设计。在《说明性方法》里也没有提出屋脊、屋谷和屋顶梁。
第二节天花托梁
图7-1 天花托梁
一、最小的天花托梁尺寸
在《说明性方法》里的天花托梁表格为二种荷载条件提供了最大允许的天花托梁跨度：0.48kN/m2和0.96kN/m2阁楼活荷载。
在天花托梁的设计里，几种工程标准中的任何一个都根据截面的构造、材料的厚度和构件的长度控制着说明性要求。分析必须包括校核：
■屈服
■屈曲
■腹板断裂（如果有腹板加强肋，就不需要）
■剪切
■挠度
除静和活荷载的大小以外，为《说明性方法》开发天花托梁跨度表的工
程方法类似于楼层托梁所用的方法。
二、天花托梁支撑加强肋
除非表格没有要求用支撑加强肋，否则在天花托梁的每一端都需要支撑加强肋。
三、天花托梁底部边缘拉紧
石膏板（即完工的天花）足以拉紧天花托梁的底部（受拉）边缘。也可以用钢材拉带拉紧天花托梁的底部边缘。
四、天花托梁顶部边缘拉紧
为了拉紧顶部（受压）边缘，必须要以3.66m的最大间距和在所有拉带的端部安装钢材拉带支撑块（或剪力撑）。此外，如果没有安装端部支撑块，还要把钢材拉带的端部固定到建筑物的稳定部件上。天花托梁表格为拉紧和未拉紧的顶部边缘提供了跨度。
五、天花托梁拼接
除了当重叠的天花托梁出现在内部承重墙上，不然的话，《说明性方法》里的天花托梁的拼接都需要认可的设计。
第三节屋顶椽子
图7-2 椽子
一、最小的屋顶椽子尺寸
椽子跨度表格主要是根据重力荷载来设计的，因此，椽子跨度是基于椽子的水平投影，不管坡度。重力荷载由0.34kN/m2静荷载和0.77kN/m2活荷载或使用的屋顶雪荷载中的较大者组成。
正如《说明性方法》的表F3.2所示，风荷载影响是通过把风荷载等效为雪荷载开发出来的。采用ASCE7（ASCE，1998）零件和覆盖层（C&C）系数来计算风压力。把垂直作用在椽子的平面上的风荷载调整为垂直作用在椽子的水平投影上的荷载。要检查抬起和下压二种风荷载，并且把最坏的情况和相应的雪荷载联系起来。
可允许的屋顶坡度范围在3:12到12:12之间，并且最重要的是屋顶系统必须要由天花托梁（即作为椽子拉杆）和椽子组成。因为没有提供说明性的屋脊梁和柱子设计，所以《说明性方法》目前还没有提出大教堂式天花。
必须使用与跟部节点连接一样的螺钉尺寸和数量（或更多）把重叠的天花托梁连接起来，确保充分的越过拼接节点转移张力荷载。拼接必须出现在内部承重墙上。
㈠ 屋檐悬挑
㈡ 在《说明性方法》里计算椽子跨度时采用610mm屋檐悬挑。
二、屋顶椽子支撑支柱
图7-3 椽子支柱
采用支撑支柱来增加特殊构件的跨度。当采用支柱时，是从跟部节点到支撑点，或从屋脊构件到支撑点（水平投影）来确定椽子跨度，取二者中最大者。
三、椽子拼接
在《说明性方法》里提供的椽子跨度是基于假定构件是连续的，没有拼接。因此，椽子没有认可的设计，是不能拼接椽子的。
四、椽子底部边缘拉紧
在《说明性方法》里提供的拉紧要求一般是用于住宅钢材建筑里的。当托梁的底部边缘没有采用石膏墙板时，要求就类似于在楼层骨架部分建立的那些要求。
第四节在屋顶和天花里的开口骨架
这个部分类似于在楼层里的开口，最大开口宽度限于1.22m。
第五节屋顶桁架
《说明性方法》没有包含桁架的规定。因为预制工程桁架可能要和这个文件一道使用，所以包含了这个部分。《冷轧钢材骨架——桁架设计标准》（Standard for Cold-Formed Steel Framing –Truss Design）（AISI，2001b）有助于钢材桁架的设计、制造和安装。
图7-4 屋顶桁架
第六节屋顶横隔层
要求屋顶横隔层充分的把剪切荷载转移到结构里的拉紧墙线上。在钢材骨架屋顶里，这通常是由木材结构板来完成的。在屋顶横隔层的设计里所用的剪切值是取之LGSEA技术通报批评No. 558b-1（LGSEA，1998）。在这份文件给出的值是基于紧固件连接的强度计算出来的，在针对板等级、板支撑块和轻荷载横隔层所取的强度里，为所定义的构造采取了缩减量。在《说明性方法》F6.1和F6.2部分里，还规定了疾风区域（即177km/hr或更大的风速）或高地震区域（即地震设计种类D1、D2和E）里的钢材屋顶横隔层额外的要求。
图7-5 屋顶骨架
图7-6 屋顶覆盖物
图7-7 一览众山小