摘要:本文作者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，主要對(duì)輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行了探討，供參考。

　　關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)，注意事項(xiàng)

　　1我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展

　　從發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)來看,普通鋼結(jié)構(gòu)、薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)、門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、壓型鋼板結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)焊接和高強(qiáng)度螺栓連接、鋼與混凝土組合樓蓋、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及鋼骨(型鋼)混凝土結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收規(guī)范規(guī)程及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已陸續(xù)頒布。有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)范規(guī)程的不斷完善為鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ),為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

　　從發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的人才素質(zhì)來看,經(jīng)過幾年來的發(fā)展,專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)形成一定的規(guī)模,而且他們的專業(yè)素質(zhì)在實(shí)踐中得到不斷提高。隨著計(jì)算機(jī)在工程設(shè)計(jì)中的普遍應(yīng)用,國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件發(fā)展迅猛,軟件功能逐漸完善,為協(xié)助設(shè)計(jì)人員完成結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)和施工圖繪制提供了極大的便利條件。

　　2輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)體系及應(yīng)用范圍

　　2.1承重結(jié)構(gòu)體系

　　2.1.1門式剛架結(jié)構(gòu)體系

　　門式鋼架結(jié)構(gòu)體系是我國輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑中最主要的結(jié)構(gòu)形式。它可以分為單跨、雙跨、多跨的單層門式剛架以及帶挑擔(dān)或帶毗鄰的單層門式剛架等形式。門式主剛架與檁條、墻梁和各類支撐體系、圍護(hù)體系構(gòu)成空間三維受力體系而共同工作。根據(jù)跨度和高度及荷載不同,門式剛架的梁、柱可采用等截面或變截面實(shí)腹焊接工字型截面或軋制H型截面。設(shè)有橋式吊車時(shí),柱宜采用等截面形式。

　　門式剛架結(jié)構(gòu)體系適宜建造單層工業(yè)廠房(30t吊車以內(nèi))、超市、倉庫、農(nóng)貿(mào)市場、飲食娛樂、體育設(shè)施、碼頭建筑以及各種臨時(shí)建筑。

　　2.1.2多層多跨框架結(jié)構(gòu)體系

　　多層多跨框架結(jié)構(gòu)體系的主要組成部分是梁和柱，及與之相連的樓面屋面結(jié)構(gòu)、支撐、墻板或墻架結(jié)構(gòu)。其房屋高寬比不宜大于6,柱網(wǎng)設(shè)置宜為6～12m,常設(shè)計(jì)成強(qiáng)柱弱梁形式。梁、柱均為等截面,材料主要選用高頻焊接和熱軋H型鋼、普通或輕型熱軋型鋼、冷彎型鋼。

　　多層框架輕鋼建筑自重輕、自振周期長,對(duì)地震作用不敏感。但框架體系的側(cè)向剛度較小,需設(shè)置各種側(cè)向支撐,或者結(jié)合電梯井的位置,采用框架-抗剪桁架結(jié)構(gòu),框架-抗剪鋼板剪力墻、框架-鋼混剪力墻等新體系,以確保結(jié)構(gòu)水平位移控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

　　這種承重結(jié)構(gòu)的發(fā)展適宜于多層輕鋼建筑這一類很有發(fā)展前途的金屬建筑形式。如總高度小于24m的商業(yè)購物中心、辦公大樓等公共建筑;總高度在20m以下,樓面荷載小于8kNPm2的電子、機(jī)械等行業(yè)的工業(yè)廠房;10層以下的多層民用住宅。

　　2.2支撐體系

　　為了加強(qiáng)輕鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,抵抗水平荷載和地震作用,通常用槽鋼或角鋼在柱間布置垂直支撐體系。根據(jù)要求可以沿縱、橫單向布置或雙向布置。支撐與框架鉸接,按拉桿或壓桿設(shè)計(jì)。考慮到門窗的位置,可以采用X型、單斜桿型、人字型、倒人字型、W型、倒W型、門式等形式,還可采用偏心支撐。在不影響建筑功能的前提下,平面上的支撐應(yīng)均勻布置。對(duì)后五種支撐應(yīng)驗(yàn)算梁上支撐軸力引起的附加彎矩。偏心支撐的優(yōu)點(diǎn)是在較小或中等的水平荷載作用下有足夠的剛度,而在嚴(yán)重超載(如大地震)時(shí)具有良好的延性,是一種較好的抗剪支撐。

　　2.3樓蓋體系

　　樓面結(jié)構(gòu)由鋼梁和樓面板組合而成。樓面主次梁應(yīng)采取結(jié)構(gòu)措施和樓面板緊密聯(lián)系,確保鋼梁的整體穩(wěn)定性。樓面板必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體性。當(dāng)前主要采取的樓板形式為:①現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板;②預(yù)制輕質(zhì)混凝土板;③壓型鋼板-現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板,壓型鋼板可作為永久性底模并參與共同工作,省去了支模的不便。第三種樓板形式兼具了兩種不同材料的優(yōu)點(diǎn):一方面鋼筋混凝土提供了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù),使其具有較好的抵抗火災(zāi)和腐蝕的能力;另一方面又提供了對(duì)鋼構(gòu)件壁板的約束作用,防止其過早地發(fā)生局部屈曲,大大地提高了鋼結(jié)構(gòu)的承載力,具有很好的發(fā)展前景。

　　2.4圍護(hù)結(jié)構(gòu)

　　為了減輕多層房屋鋼結(jié)構(gòu)的自重,圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用輕質(zhì)材料。外墻墻體多采用輕質(zhì)填充材料,如空心砌塊、加氣混凝土等,有時(shí)可采用壓型鋼板加輕質(zhì)保溫層組成的復(fù)合墻體,也有很多房屋外墻采用輕質(zhì)美觀的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。內(nèi)隔墻可采用空心砌塊、加氣混凝土等輕質(zhì)填充墻或輕鋼龍骨石膏板,也可采用鋁合金框玻璃隔斷。輕型鋼結(jié)構(gòu)的屋面一般采用色彩鮮艷、外形美觀的彩色壓型鋼板。同時(shí)組成屋面和墻面圍護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)件材料還有冷彎薄壁型鋼檁條和墻梁、輕質(zhì)保溫材料、采光材料、天溝及泛水等。

　　2.5節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

　　輕鋼結(jié)構(gòu)柱多采用H形或箱形截面。由于腹板比較薄,故在此弱軸方向與梁的連接多采用鉸接,而強(qiáng)軸方向采用剛接。有的還可采用半剛性連接,但其受力特性較復(fù)雜,往往需通過試驗(yàn)來取得較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件相對(duì)較薄,應(yīng)盡量避免工地現(xiàn)場焊接連接。為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度,可以把次梁做成連續(xù)梁的形式。

　　2.6基礎(chǔ)形式

　　輕鋼房屋基礎(chǔ)常用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、十字形基礎(chǔ)。采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí),應(yīng)注意各基礎(chǔ)相對(duì)不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響�；�礎(chǔ)梁常用現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有時(shí)根據(jù)要求也可以采用鋼基礎(chǔ)梁,但通常將埋置在地面以下的柱腳和鋼梁外包混凝土,以解決防腐問題。

　　3輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

　　輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)范有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ17-88、《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。目前國內(nèi)自主開發(fā)并經(jīng)注冊(cè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有上海同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院開發(fā)的空間鋼結(jié)構(gòu)桿系系統(tǒng)CAD軟件3D3S;中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件STS。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)情況選擇適合自己的設(shè)計(jì)軟件。

　　3.1單層門式剛架輕型房屋的設(shè)計(jì)

　　門式剛架設(shè)計(jì)的主要工作是計(jì)算出一榀剛架的構(gòu)件斷面,其余檁條、墻梁及屋面、柱間支撐的布置均要符合相應(yīng)的規(guī)范條文。

　　1)確定剛架跨度、柱距及柱高。這一點(diǎn)主要根據(jù)工藝要求以及吊車參數(shù)決定�？缍�60m以內(nèi)一般以3m為模數(shù)遞增,柱距6～9m,柱高在滿足各項(xiàng)要求的情況下盡量低。屋面坡度一般取1∕5～1∕20。

　　2)確定剛架柱及橫梁截面。柱截面高取柱高的1∕15～1∕25左右,橫梁截面高取跨度的1∕30～1∕50左右,梁寬取梁高的1∕3～1∕5,并應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

　　3)輸入計(jì)算簡圖。這一步主要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,有吊車柱腳設(shè)為剛接,無吊車柱腳設(shè)為鉸鏈,多跨中柱設(shè)為搖擺柱。

　　4)輸入恒載、活載、風(fēng)載及吊車荷載。

　　5)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。檢查剛架截面的強(qiáng)度、整體性是否符合規(guī)范要求以及柱頂位移、橫梁撓度是否在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。如果不滿足要求或有較大富裕應(yīng)進(jìn)行截面優(yōu)化,以求出既經(jīng)濟(jì)又合理的截面尺寸。

　　6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前,就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免。按傳力特性不同,節(jié)點(diǎn)分剛接、鉸接和半剛接。一般宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大,比如,有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題,但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng),不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定,會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法,初學(xué)者可偏安全選用前者。設(shè)計(jì)手冊(cè)中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)者查用,比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動(dòng)完成。

　　3.2多層多跨輕鋼框架結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計(jì)

　　此類房屋的設(shè)計(jì)類似于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),應(yīng)遵循強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的基本原則。所不同的是輕鋼房屋由于側(cè)向剛度小,需要設(shè)置足夠的柱間支撐,以確保房屋的側(cè)向位移滿足要求�？紤]到混凝土樓板對(duì)鋼梁的有利作用,一般把梁設(shè)計(jì)成組合梁,并在鋼梁上設(shè)置栓釘,以加強(qiáng)混凝土樓板與鋼梁的整體連接。同時(shí)注意局部穩(wěn)定及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

　　3.3輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意事項(xiàng)

　　1)設(shè)計(jì)光靠軟件不行,還必須進(jìn)行判斷。設(shè)計(jì)者應(yīng)該知道軟件是怎么計(jì)算的,要考慮到軟件未考慮的一些問題。

　　2)荷載取值要準(zhǔn)確。輸入荷載計(jì)算簡圖時(shí),要考慮當(dāng)?shù)氐难┖奢d標(biāo)準(zhǔn)值是否大于屋頂活荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.3kNPm2,如果大于,應(yīng)該在輸入活荷載的時(shí)候按雪荷載輸入�？紤]風(fēng)吸力的影響時(shí)端部和中部體型系數(shù)不同。

　　3)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)一定要與計(jì)算簡圖相符,該鉸接的一定要設(shè)計(jì)成鉸接,該剛接的一定要使該節(jié)點(diǎn)能傳遞和承受節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力。

　　4)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中防腐、防火、防雷也是關(guān)鍵,關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全使用,應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視,在不同的工程項(xiàng)目中采取相應(yīng)的措施。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1裴紅梅，談輕型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，山西建筑，2004年第18期

　　2《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ17-88

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