浅谈轻型建筑钢结构及其设计方法

　　从发展钢结构的技术基础来看,普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式刚架轻型房屋钢结构、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土组合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨(型钢)混凝土结构等方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已陆续颁布。有关钢结构的规范规程的不断完善为钢结构体系的应用奠定了必要的技术基础,为设计提供了依据。

　　从发展钢结构的人才素质来看,经过几年来的发展,专业钢结构设计人员已经形成一定的规模,而且他们的专业素质在实践中得到不断提高。随着计算机在工程设计中的普遍应用,国内外钢结构设计软件发展迅猛,软件功能逐渐完善,为协助设计人员完成结构分析设计和施工图绘制提供了极大的便利条件。

　　2轻型建筑钢结构体系及应用范围

　　2.1承重结构体系

　　2.1.1门式刚架结构体系

　　门式钢架结构体系是我国轻钢结构工业建筑中最主要的结构形式。它可以分为单跨、双跨、多跨的单层门式刚架以及带挑担或带毗邻的单层门式刚架等形式。门式主刚架与檩条、墙梁和各类支撑体系、围护体系构成空间三维受力体系而共同工作。根据跨度和高度及荷载不同,门式刚架的梁、柱可采用等截面或变截面实腹焊接工字型截面或轧制H型截面。设有桥式吊车时,柱宜采用等截面形式。

　　门式刚架结构体系适宜建造单层工业厂房(30t吊车以内)、超市、仓库、农贸市场、饮食娱乐、体育设施、码头建筑以及各种临时建筑。

　　2.1.2多层多跨框架结构体系

　　多层多跨框架结构体系的主要组成部分是梁和柱，及与之相连的楼面屋面结构、支撑、墙板或墙架结构。其房屋高宽比不宜大于6,柱网设置宜为6～12m,常设计成强柱弱梁形式。梁、柱均为等截面,材料主要选用高频焊接和热轧H型钢、普通或轻型热轧型钢、冷弯型钢。

　　多层框架轻钢建筑自重轻、自振周期长,对地震作用不敏感。但框架体系的侧向刚度较小,需设置各种侧向支撑,或者结合电梯井的位置,采用框架-抗剪桁架结构,框架-抗剪钢板剪力墙、框架-钢混剪力墙等新体系,以确保结构水平位移控制在规范允许的范围内。

　　这种承重结构的发展适宜于多层轻钢建筑这一类很有发展前途的金属建筑形式。如总高度小于24m的商业购物中心、办公大楼等公共建筑;总高度在20m以下,楼面荷载小于8kNPm2的电子、机械等行业的工业厂房;10层以下的多层民用住宅。

　　2.2支撑体系

　　为了加强轻钢结构的侧向刚度,抵抗水平荷载和地震作用,通常用槽钢或角钢在柱间布置垂直支撑体系。根据要求可以沿纵、横单向布置或双向布置。支撑与框架铰接,按拉杆或压杆设计。考虑到门窗的位置,可以采用X型、单斜杆型、人字型、倒人字型、W型、倒W型、门式等形式,还可采用偏心支撑。在不影响建筑功能的前提下,平面上的支撑应均匀布置。对后五种支撑应验算梁上支撑轴力引起的附加弯矩。偏心支撑的优点是在较小或中等的水平荷载作用下有足够的刚度,而在严重超载(如大地震)时具有良好的延性,是一种较好的抗剪支撑。

　　2.3楼盖体系

　　楼面结构由钢梁和楼面板组合而成。楼面主次梁应采取结构措施和楼面板紧密联系,确保钢梁的整体稳定性。楼面板必须具有足够的强度、刚度和整体性。当前主要采取的楼板形式为:①现浇钢筋混凝土楼板;②预制轻质混凝土板;③压型钢板-现浇钢筋混凝土组合楼板,压型钢板可作为永久性底模并参与共同工作,省去了支模的不便。第三种楼板形式兼具了两种不同材料的优点:一方面钢筋混凝土提供了对钢结构的保护,使其具有较好的抵抗火灾和腐蚀的能力;另一方面又提供了对钢构件壁板的约束作用,防止其过早地发生局部屈曲,大大地提高了钢结构的承载力,具有很好的发展前景。

　　2.4围护结构

　　为了减轻多层房屋钢结构的自重,围护结构多采用轻质材料。外墙墙体多采用轻质填充材料,如空心砌块、加气混凝土等,有时可采用压型钢板加轻质保温层组成的复合墙体,也有很多房屋外墙采用轻质美观的玻璃幕墙结构。内隔墙可采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板,也可采用铝合金框玻璃隔断。轻型钢结构的屋面一般采用色彩鲜艳、外形美观的彩色压型钢板。同时组成屋面和墙面围护系统的构件材料还有冷弯薄壁型钢檩条和墙梁、轻质保温材料、采光材料、天沟及泛水等。

　　2.5节点构造

　　轻钢结构柱多采用H形或箱形截面。由于腹板比较薄,故在此弱轴方向与梁的连接多采用铰接,而强轴方向采用刚接。有的还可采用半刚性连接,但其受力特性较复杂,往往需通过试验来取得较准确的设计数据。同时轻钢结构的构件相对较薄,应尽量避免工地现场焊接连接。为了加强结构的整体刚度,可以把次梁做成连续梁的形式。

　　2.6基础形式

　　轻钢房屋基础常用柱下独立基础、条形基础、十字形基础。采用柱下独立基础时,应注意各基础相对不均匀沉降对上部结构的影响。基础梁常用现浇或预制钢筋混凝土结构,有时根据要求也可以采用钢基础梁,但通常将埋置在地面以下的柱脚和钢梁外包混凝土,以解决防腐问题。

　　3轻型建筑钢结构的设计方法

　　轻钢结构设计依据的规范有《钢结构设计规范》GBJ17-88、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》。目前国内自主开发并经注册的钢结构设计软件有上海同济大学土木工程学院开发的空间钢结构杆系系统CAD软件3D3S;中国建筑科学研究院开发的钢结构设计软件STS。设计人员可以根据情况选择适合自己的设计软件。

　　3.1单层门式刚架轻型房屋的设计

　　门式刚架设计的主要工作是计算出一榀刚架的构件断面,其余檩条、墙梁及屋面、柱间支撑的布置均要符合相应的规范条文。

　　1)确定刚架跨度、柱距及柱高。这一点主要根据工艺要求以及吊车参数决定。跨度60m以内一般以3m为模数递增,柱距6～9m,柱高在满足各项要求的情况下尽量低。屋面坡度一般取1∕5～1∕20。

　　2)确定刚架柱及横梁截面。柱截面高取柱高的1∕15～1∕25左右,横梁截面高取跨度的1∕30～1∕50左右,梁宽取梁高的1∕3～1∕5,并应符合相应的规范要求。

　　3)输入计算简图。这一步主要在计算机上进行,有吊车柱脚设为刚接,无吊车柱脚设为铰链,多跨中柱设为摇摆柱。

　　4)输入恒载、活载、风载及吊车荷载。

　　5)进行结构计算。检查刚架截面的强度、整体性是否符合规范要求以及柱顶位移、横梁挠度是否在规范允许的范围内。如果不满足要求或有较大富裕应进行截面优化,以求出既经济又合理的截面尺寸。

　　6)节点设计。连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免。按传力特性不同,节点分刚接、铰接和半刚接。一般宜选择可以简单定量分析的前两者。连接的不同对结构影响甚大,比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定,会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法,初学者可偏安全选用前者。设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比较方便。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。

　　3.2多层多跨轻钢框架结构房屋的设计

　　此类房屋的设计类似于钢筋混凝土框架结构,应遵循强柱弱梁、强节点弱杆件的基本原则。所不同的是轻钢房屋由于侧向刚度小,需要设置足够的柱间支撑,以确保房屋的侧向位移满足要求。考虑到混凝土楼板对钢梁的有利作用,一般把梁设计成组合梁,并在钢梁上设置栓钉,以加强混凝土楼板与钢梁的整体连接。同时注意局部稳定及节点设计。

　　3.3轻型建筑钢结构设计应注意事项

　　1)设计光靠软件不行,还必须进行判断。设计者应该知道软件是怎么计算的,要考虑到软件未考虑的一些问题。

　　2)荷载取值要准确。输入荷载计算简图时,要考虑当地的雪荷载标准值是否大于屋顶活荷载标准值0.3kNPm2,如果大于,应该在输入活荷载的时候按雪荷载输入。考虑风吸力的影响时端部和中部体型系数不同。

　　3)钢结构设计中的重点是节点的设计,节点的设计一定要与计算简图相符,该铰接的一定要设计成铰接,该刚接的一定要使该节点能传递和承受节点的内力。

　　4)钢结构设计中防腐、防火、防雷也是关键,关系到结构的安全使用,应引起设计人员的足够重视,在不同的工程项目中采取相应的措施。

　　参考文献：

　　1裴红梅，谈轻型钢结构的应用，山西建筑，2004年第18期

　　2《钢结构设计规范》GBJ17-88