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轻钢结构特点以及发展趋势

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    摘要：本文简要介绍当今正蓬勃发展的轻钢结构的概况，对它的适用范围、主要优点、材料选型和设计中的注意点，均作了扼要介绍，对屈曲后强度利用、蒙皮效应等与一般钢结构设计的不同点作了相应提示。俾使对轻钢结构的特点有一较为完整的认识。

    关键词：轻钢结构 科技特点 蒙皮效应

    一、 引言

    　　自进入20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。如世界第三高的上海88层、高420m的金茂大厦业已竣工，现已投入运营。据称世界第一高度的上海浦东环球金融中心，95层高460m，建筑面积为31万m2，现正在加紧建设中。由外商投资的大连总统大厦，正在加紧筹建之中，共95层，据称建成后其高度将名列世界前茅。

    　　轻钢结构的发展则更是如火如荼，特别在工业厂房的建设中则更为迅猛。从钢结构制造加施工企业数量的大幅增长就可窥见一斑，如上海市的钢结构制造和施工单位已由原来的几十家一下子发展到现在的400多家，单上海的宝钢地区就有近百家的钢结构制造厂。大好形势下，如何因势利导，抓好设计和施工质量，这是当前一个十分迫切的问题。本文拟就轻钢结构的优点、材料选择和设计中的注意点、塑性设计及腹板屈曲后强度的利用和蒙皮效应等作一概略介绍，利于读者对轻钢结构有一个比较全面的了解。

    二、 轻钢结问及其适用范围

    　　所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型钢结构；④轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。

    1． 适用范围

    　　根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。

    2． 主要优点

    　　⑴施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45d至2个月，而若采用钢筋混凝土建筑则要8～12个月左右。

    　　⑵综合经济效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益；更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态感；因为建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资；由于采用了聚苯已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔章等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好，根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。

    　　⑶抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减少地震灾害和人员伤亡。唐山地震的惨痛教训应予记起。目前，天津市已正式启动轻钢结构住宅。

    　　⑷宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。

    　　正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。

    三、 材料选择和设计中的注意事项

    　　轻钢结构作为普通钢结构的衍生结构，其基本计算理论和后者基本相同。详细情况可参见上海市标准DBJ08-68-97《轻钢结构设计规程》和中国工程建设标准化协会标准CECS102：98《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》，这里仅着重强调几点：

    　　⑴在用材上应优先采用“H”形钢，它受力合理，拼接方便，加工容易。对于承重结构宜用Q235钢和低合金钢中的16Mn、15MnV或15MnV钢，但需注意Q235-A钢的含碳量不作为交货条件，可焊性无保证，故不宜采用作焊接结构。对于板厚大于25mm的梁翼缘与柱，现场焊接的梁柱节点不宜用Q235-B.F，应尽量选用Q235-B或Q235-B.b，对于特别重要结构宜选用Q235-C或Q235-D。

    　　⑵对厚度为17～40mm的Q235钢的设计指标比现行GBJ17-88《钢结构设计规范》中的规定值提高5Mpa（上海标准），焊缝强度也作了相应调整。

    　　⑶考虑了技术进步因素，将主要受力构件的壁厚调小了，即在现行GBJ18-97《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的主要受力构件的壁厚不小于2mm调整为不小1.5mm，框架梁柱构件不小于3mm。

    　　⑷在风荷载作用下，门式刚架的侧移按GBJ18-87《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定为柱顶高度的1/150。但在这2个规程中均作了细化规定并作相应调整，但具体数值不尽相同。设计者在使用时宜予以注意。

    　　⑸在设计刚架、屋架和檩条等时，应考虑由风吸力作用所引起构件内力变化的不利影响。此时永久荷载分项系数取为1.0。这一规定主要是考虑到当设计的刚架、屋架、檩条在屋面材料较轻的情况下；若受风吸力作用，构件内力将会变号，会出现拉杆变为压杆的情况。在内力变号时永久荷载起减载作用，叵合肥市将永久荷载分项系数取为1.2，则会造成结构可靠度的降低，导致不安全因素。

    四、 结构或构件的塑性设计及腹板屈曲后强度

    　　轻钢结构允许采用塑性设计，但仅适用于不直接承受动力荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和2层框架结构。采用塑性设计的结构或构件，按承载能力极限状态设计时，应采用荷载的设计值，考虑构件截面内塑性的发展及由此引起的内力重分布，用考虑P-△效应的塑性铰理论或简单的塑性铰理论进行内力分析。按塑性设计时，钢材和连接的强度设计值应按规程的有关条款规定的数值乘以折减系数0.9。塑性设计截面板件的宽厚比也应符合有关规定。

    门式框架上“工”字形截面构件的腹板允许考虑屈曲后程度，下面我们试通过单向受压四边简支扳回曲后的中面应力分布情况来说明为什么板屈曲后仍能继续承载，且承载力还能显著提高。板屈曲后只要板的四边保持直线，则载荷边的压应力分布为非无均匀分布，两边应力较高，中间应力较低；非载荷边产生垂直于边线的应力，其中部为拉应力。由于拉应力的作用限制了板屈曲变形的发展，提高了板的刚度，因而板屈曲后仍能继续承载。卡门最先提出了有效宽度的概念，即将板件受压边马鞍形应力分布图用二块等效的应力图形代替L等效应力图形的应力水平为fyc于是有

    　　Pu=fybet

    　　Pu=∫σ(x) dx

    　　式中：Pu为板的极限承载力；fy为钢材的屈服强度；be为有效截面宽度；t为板件的厚度。

    　　当Pu通过理论分析和实验确定后，就可用有效宽度来表达受压板件屈曲后极限强度，并进而采用有效截面来考虑板件局部屈曲的影响。利用板面屈曲后的强度进行结构设计最早见于飞机结构中，因为飞机结构设计是在保证一定可靠度的前提下以减轻结构重量为目标。在普通房屋建筑钢结构设计中一般不允许板件产生局部失稳。而冷弯薄壁型钢，其特点之一就是壁薄，壁厚不大于6mm，以极少的材料加工成为宽展的截面，以提高构件的截面刚度和整体稳定承载力，为此，不得不突破钢结构设计规范（GBJ17-88）中对板件宽厚比限值的规定，允许板件产生局部失稳，进而利用屈曲后强度的提高。

    轻钢结构门式刚架是主要的承重结构，一般是采用实腹型 变截面的柱和梁组成。门式刚架的形成可以单坡、双坡和多坡，多跨建筑的中间柱多采用较接的摇摆柱。门式刚架工字截面钢构件中腹板以受剪为主，抗弯作用不如翼缘有效，增大腹板的高度，可使翼缘抗弯能力发挥得更为充分。但是，在增大腹板高度的同时，如果厚度增之过大，则腹板耗钢量太多，也是不经济的。因此，先进的设计方法是采用高而薄的腹板，而是还有相当可观的屈曲后强度可以利用。在主要为均布荷载起控制作用的结构中，在允冲击、疲劳、振动等荷载的条件下，可充分利用结构受力板件的屈曲有效截面来分析压弯杆件腹板的稳定性，从而使其腹极高厚比限值可以大幅度提高。根据天津大学所作的试验证明，当荷载超过理论计算的屈曲临界载限多时腹板才呈现凸曲变形，且凸曲变形都不大，故适当利用屈曲后强度是可行的。




    五、 蒙皮效应

    　　压型钢板因其重量轻、强度高、外形美观、安装便捷等优点，而广泛应用，国外不仅用手工业厂房，且很多民用建筑也用它做屋面板和墙板等围护结构。

    　　所谓蒙皮效应是指压型钢板在其平面内的抗剪能力，可称为受力蒙皮作用。如将压型钢板与构件进行可靠连接，则此蒙皮效应可使围护结构同时成为结构的重要组成部分，参与整个结构体系工作，为与之相连的受压、受弯压构件提供连续侧向支撑，从而提高这种构件的刚度及稳定承载力。

    　　美国的设计规范引进了蒙住支撑的设计方法。我国《冷弯型钢受力蒙皮结构设计规范》尚在编制中。

    1． 蒙皮支撑的轴心受压构件

    　　假设在蒙皮的支撑作用下，构件在荷载作用下没有弯曲变形、没有截面的扭转而仅有轴向压缩变形，则我们称蒙皮可为构件提供完全支撑，此情况下的屈服压力记作Py，则

    　　为考察各种因素对蒙皮支撑构件性能的影响，对该非线性问题用有限元法，取如下构件作分析对象，构件外形尺寸为160mm×50mm×20mm×2.75mm的冷弯薄壁卷边C形槽钢，材料屈服强度为Py=270Mpa，假定荷载的初始偏心为构件几何长度的1/1000，构件长度为3.60m，两端铰接。压型钢板与构件用自攻螺钉相连。当压型钢板之间无连接件时蒙皮抗剪刚度为QL，当荷载偏心距ey=L/1000，ez=L/1000时，对应于不同的蒙皮抗剪刚度值Q，计算了构件跨度中截面转角及剪心的位移，从图中可以看出蒙皮抗剪刚度的变化，并未使构件跨中截面的转角有太大的差别。这说明蒙皮抗剪刚度的增大，并不能增大对构件扭转的约束作用。但是蒙皮抗剪刚度的增大，即能有效地减小构件的侧向变形。必须指出：以上的结果是在不考虑蒙皮对构件提供的扭转约束，即令扭转约束值F=0时所得出的结果。F值因次为N?mm/（mm?rad）。但实际结构中蒙皮总是可以为构件提供不同程度的扭转约束作用，如不考虑这一有利因素，势必会使计算结果过分保守，试验和计算结果都表明，蒙皮为构件提供的扭转约束作用可有效地减小构件的扭转变形，显著提高轴压构件的稳定承载力。通过理论计算所得出

    （ey=L/1000，ez= -L/1000） （ey=L/1000，ez=-L/1000）

    侧向变形υ（cm）曲线的蒙皮对构件影响。其FL=1437.2N?mm/（mm?rad）是由试验确定。

    六、 结语

    　　当前，我国钢结构（含轻钢结构）发展的形势很好，我国钢结构年产已超过1亿t，可以预言，21世纪将是钢结构快速发展时期，长期以来，由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局将被打破，从事钢结构制造、施工企业前景宽阔，各建筑设计院也面临着新的机遇和挑战。但是，以下几点仍需各方加以重视。

    1． 应加大推广钢结构建筑的宣传力度

    　　目前，钢结构行业的竞争非常激烈。这种竞争，不仅来自于各行业，、各企业之间，更重要的还来自于钢结构和钢筋混凝土结构这两种建筑之间的竞争。日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的50%以上，而我国只占5%还不到。差距甚远。

    对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构造价比混凝土贵，从而排斥于比较方案之外，这一点对广大设计人员尤为重要。事实上一个高层建筑的工程总投资、包括工程造价、动迁费、征地费等方面，工程造价只占工程总投资的50%。而工程造价又包括结构造价、装饰费、设备费等，结构造价只占工程造价的30%左右。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价仅占基础造价的50%～70%。而钢结构只是指工程的上部结构，在工程总投资中仅占10%还不到。因此，高层建筑采用钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程总投资的4%。如果再考虑到采用钢结构因其自重轻、基础造价低；因其强度高、可啬建筑有效使用面积；施工速度快及抗震性能好等诸多优点，那么钢结构的优势是不言而喻的。

    2． 推广应用住宅钢结构应提到重要位置

    　　建筑钢结构虽然发展很快，但在住宅领域还是空白。全国每年要建数千万平方米的住宅建筑，但采用钢结构的几乎没有。当然这和我国传统思想、观念以及对钢结构的认识偏差有关。可喜的是，天津市政府已率先垂范，决定于今年启动轻型钢结构建筑，将建设10万m2的轻钢住宅，其示范效应将不可低估，希望各地有关职能部门及广大设计人员应有超前意识，作出响应，对轻钢住宅建筑的发展作出应有贡献。

    3． 应积极提高各钢结构制造、施工企业、设计院所等技术人员的业务水平

    　　我国在较长的一段时间内，由于钢结构使用很少，各设计院所、建筑企业大多从事单一的混凝土结构工程的设计和施工。目前应大力加强和提高各级技术人员的钢结构业务水平。应充分发挥各高等院校、学术团体等举办钢结构技术讲座、规范培训班等。

    4． 发展钢结构要在政策上给予支持和倾斜

    　　这种政策性的扶植应包括：在钢结构技术的发展上应将其纳入国家建筑技术发展规划并在科研项目、经费等方面予以重点支持；对于钢结构的住宅建筑，在土地征用、税收等方面予以优惠，以降低建设成本，使其更具市场竞争力；大力推广使用国产钢材以此和钢铁生产企业形成良性循环。
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