輕鋼結構設計中常見問題的探討

王 潔

隨著我國建筑業的高速發展，諸多先進的建筑技術陸續應用于建筑業中。輕鋼結構因其諸多優點，作為一種新型的建筑結構形式，已廣泛地被應用到建筑工程中。許多的建筑結構因其建筑跨度較大，并且無大噸位的吊車等承載結構而特別適合采用輕鋼結構的設計形式。同時，許多新型輕型屋面材料的問世，進一步推動了輕鋼結構在建筑業中的應用。相對于混凝土結構，輕鋼結構存在三大優勢:1)因輕鋼結構自重較輕，一般跨度設計較大，有明顯的經濟效益;2)輕鋼結構中所有施工構件可在廠房內自動化生產，節省了施工周期，有明顯的時間效益;3)可依據具體需要而設計出造型獨特，美觀大方的獨特設計形式。伴隨著輕鋼結構的迅猛發展，一些設計工作中存在的典型問題也越發突出，具體問題如下。

1 鋼材選用

設計中通常根據構件功能不同而選擇不同的鋼材。例如，門式剛架、吊車梁、焊接的檁條及墻梁等構件宜采用 Q235B或Q345A及以上等級的鋼材。非焊接的檁條和墻梁等構件可采用Q235A等較低強度鋼材。鋼材的選用還應根據具體實際情況考慮以下幾個方面:

1)依據經濟性選用鋼材。通常Q235鋼與Q345鋼的差價在700元/t左右。一些研究表明，一般的無吊車剛架結構，其柱距在6 m～9 m之間，并且其跨度在15 m～27 m之間時，從經濟角度考慮宜選用Q345，則結構整體用鋼量可降低16%～28%。在設計工作中，構件截面以強度進行控制設計時，應優先選用Q345較高強度鋼材;構件截面以剛度進行控制設計時，應優先選用Q235鋼。

2)依據設計荷載采用不同鋼材。例如，直接承受動荷載的構件，考慮結構共振等動力效應，一般采用 Q235.B，Q235.C，Q235.D及Q345鋼。直接承受靜荷載或間接承受動荷載的構件則可選用Q235.B，Q235.B·F。

3)依據施工溫度采用不同鋼材。例如，施工過程中，工作溫度通常低于－20℃ 時，宜選用Q235.C或Q235.D等鋼材;工作溫度高于－20℃時，可選用Q235.B等鋼材。

2 結構尺寸設計

輕鋼結構的諸多設計因素都會對結構的經濟效應產生影響，例如，跨度、柱距、檁距、結構檐口高度、屋面坡度、構件截面形式等因素。一般的設計中，設計人員在考慮結構經濟性的基礎上，重點放在構件應力比的控制上，而忽視以上提到的諸多影響因素。研究表明，從結構的經濟效應出發，常規門式剛架的合理跨度范圍在18 m～30 m之間，吊車噸位較大時的合理跨度在24 m～30 m;無吊車或吊車噸位較小時的合理跨度在18 m～21 m。常用門式剛架的合理柱距一般為7 m～9 m，當無吊車或吊車噸位較小時的合理柱距可取8 m～9 m;當吊車噸位較大時的合理柱距可取7 m。因此，輕鋼結構應當根據具體使用要求同時考慮各種影響因素，在結構截面強度或剛度控制下，充分考慮經濟效應的基礎上進行相應的設計工作。

3 柱腳設計

輕鋼結構中柱腳采用鉸接還是剛接形式應該根據具體工程情況，綜合考慮房屋高度、風荷載大小、有無吊車、吊車噸位大小和工作情況及土質情況等因素進行設計。一般設計要求中，工業廠房并且內有5 t以上橋式吊車時，柱腳宜采用剛接;門式剛架柱腳與基礎宜采用鉸接。

4 支撐設計

支撐系統設計是整個輕鋼結構設計的關鍵，假如支撐系統未能形成完整的傳力路線，則部分結構構件就不能發揮作用，造成浪費。一般支撐系數設計錯誤如下:

1)屋面支撐設置壓桿。一般屋面支撐只承受拉力作用，所以屋面支撐多采用施加預拉力的圓鋼。此時，在屋面支撐設置壓桿構件，其壓桿實際不起任何作用，無法傳遞水平力。一般設計中，輕鋼結構中壓桿要單獨設置。若檁條能夠滿足壓桿的設計要求(壓桿輕度和長細比)，則可以用檁條替代壓桿。

2)通長壓桿設置位置不當?？v向通長壓桿是整個支撐系統的重點部位，廠房內通過縱向通長壓桿將廠房縱向連成整體，將各道屋面支撐或柱間支撐連接為整體受力結構。假如生搬硬套設計規范中的要求，則有可能造成通長壓桿的設計不當，造成受力不均或無法傳力等情況，造成不必要的浪費等。

5 拉條設置

拉條是輕鋼結構中的輔助構件，其作用主要為:承受檁條側向力、減小檁條側向變形、對檁條起到側向支撐作用、減小檁條的計算長度等。其中，拉條的力學傳遞機理如下:

通常雙坡對稱結構屋面內，在屋脊處設置拉條構件，將屋脊檁條連接起來，使兩側拉條的受力互相平衡。此時，拉條會對檁條產生垂直于屋面向下的合力。在一般設計中，屋脊檁條由于其承受的屋面荷載面積較小，所以與其他檁條相比其受力較小，但如果考慮了拉條對其產生的垂直力，則應對屋脊檁條的受力情況進行單獨計算。

輕鋼規程(CECS 102∶2002)第6.3-5條中指出“當檁條倒向檐口時應在檐口布置斜拉條與撐桿”。另外，依據力學原理，在如下情況時在檐口需要布置斜拉條與撐桿:1)因為拉條只能承受拉力，將拉條作為檐口和屋脊檁條的側向支撐點時，檁條無論如何受力變形都被拉條拉住，拉條此時可能同時承受拉、壓力。這樣的設計形式在檁條兼作屋面支撐的壓桿和計算檁條在風吸力作用下的穩定性時是非常重要的。2)當屋面采用“鋼絲網+鋁箔+玻璃棉+彩鋼板”時，安裝時需將鋼絲網張緊，在檐口處則會對檁條產生沿屋面向上的拉力，易將檁條拉彎，此時也應在檐口設斜拉條和撐桿。

6 結語

通過以上對輕鋼結構設計中存在問題的總結，可以得出如下結論:在輕鋼結構的設計中應該充分考慮經濟效益與結構的合理受力模式。設計中應該根據構件功能不同而選擇不同的鋼材以

達到經濟效益要求。設計人員在考慮結構經濟性的基礎上，應當在重視構件應力比的控制上，同時考慮跨度、柱距、檁距、結構檐口高度、屋面坡度、構件截面形式等因素。支撐系統應該根據力學原理近似設計，對于不發揮受力效果的壓桿等盡量不進行設計，以避免浪費。同時，根據實際情況進行拉條等輔助構件的設計等。

［1］ CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］.

［2］ 02SG518-1，門式剛架輕型房屋鋼結構國標圖集［S］.

［3］ 宋延勇，李元齊.淺談輕鋼龍骨結構住宅體系［J］.山西建筑，2010，36(24):74-75.