輕鋼結(jié)構(gòu)分析及輕量化設計

摘 要:輕鋼結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)更輕，它由基礎體系、承重體系、支撐體系、樓蓋體系、維護結(jié)構(gòu)等部分組成，在設計時尤其要注意其輕量化設計。

關(guān)鍵詞:輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系輕量化設計

中圖分類號:TU318文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0023-01

20世紀80年代以來隨著鋼產(chǎn)量的不斷攀升，國外的輕鋼結(jié)構(gòu)也進入了國內(nèi)市場，并隨著其應用越來越廣，人們對其認識也發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。概而言之，現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)是指以各種H型鋼、冷彎薄壁型鋼、焊接薄鋼板變截面梁、柱等構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的輕鋼結(jié)構(gòu)相比，它更突出了“輕”字，并且應用范圍也進一步擴大，由工用向民用拓展，顯示了其強大的生命力。

1 現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)的特點分析

(1)鋼結(jié)構(gòu)首要的特點就是結(jié)構(gòu)自重輕，強度高的特點，工程造價低的特點。而現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)更輕，由于采用了輕型H型鋼、冷彎薄壁型鋼、薄鋼管等材料，材料的性能更能得到充分的發(fā)揮。

(2)結(jié)構(gòu)體系簡單，設計有程序可依。目前有許多比較成熟的輕鋼結(jié)構(gòu)設計程序，如中國建筑科學院開發(fā)的STS軟件，同濟大學開發(fā)的3D3S程序、建筑標準設計研究所開發(fā)的GFCAD等等，所有這些軟件大大減少了設計周期。

(3)材料規(guī)格種類少，能夠標準化生產(chǎn)。輕鋼結(jié)構(gòu)變大型部件為梁、柱、板結(jié)構(gòu)，部件的單位由大變小，部件的生產(chǎn)、運輸、吊裝更加輕便。而且部件的組裝空間的任意性強，能夠有效縮短施工周期，能夠提前投入使用。

(4)采用大空間結(jié)構(gòu)，方便使用者根據(jù)需要對空間進行功能劃分。輕鋼結(jié)構(gòu)采用的是框架或框架剪筒式結(jié)構(gòu)，并沒有事先規(guī)定功能區(qū)域，用戶可以根據(jù)自己的需要，對室內(nèi)空間進行任意分割。

(5)有利于環(huán)保，輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件之間通常采用螺栓連接，拆裝方便，整個建筑物可在很短的時間內(nèi)拆遷，損失極小，并且當建筑物的全壽周期結(jié)束后，很少產(chǎn)生固體垃圾，有利于環(huán)保。

(6)輕鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。由于輕鋼結(jié)構(gòu)的柔性比較好，能夠很好地消耗地震能量，因此，在地震中，破壞極小，并且，由于現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)自重更輕，材料簡單，即便在地震中發(fā)生很大的破壞，也不會導致很大的傷亡。

因此，現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)相比于其他結(jié)構(gòu)來說，具有無可比擬的綜合經(jīng)濟效益和社會效益。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)體系組成

輕鋼結(jié)構(gòu)通常由基礎體系、支撐體系、以及承重體系、樓蓋體系、維護體系等部分組成。其中，基礎體系、支撐體系、承重體系以及樓蓋體系對輕鋼結(jié)構(gòu)最為重要，直接與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性相關(guān)。

首先，就基礎體系說，輕鋼結(jié)構(gòu)自重輕，對基礎要求相對較低，通常以柱下獨立基礎為主，當?shù)鼗容^弱的時候，可以采用十字形或條形基礎。但由于各基礎之間彼此獨立，因此，必須要考慮各個基礎之間的不均勻沉降問題，選擇基礎場地時，必須要對基礎的地質(zhì)狀況進行必要的勘察、計算，確定采用何種基礎及尺寸大小，以避免不均勻沉降對對整個結(jié)構(gòu)的影響。

其次，輕鋼結(jié)構(gòu)柔性大，因此水平荷載對其影響很大，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就必須要在柱間布置支撐體系，通常有單斜桿型、X型、人字或倒人字型、W或倒W型以及偏心支撐等形式，每一種形式的承載力也各不相同，在我們的設計中，通常是根據(jù)結(jié)構(gòu)所承載的水平作用力的大小，采用模擬試驗的方式進行選擇。

再次，承重結(jié)構(gòu)直接與建筑物的使用功能相關(guān)，通常說來，輕鋼結(jié)構(gòu)承重體系主要有鋼架結(jié)構(gòu)體系、多層結(jié)構(gòu)體系，其中后者又包含框架結(jié)構(gòu)體系、框架－支撐體系、夾心板組合房屋體系等多種體系，每一種結(jié)構(gòu)體系的適用范圍各不相同，在實際設計中，必須根據(jù)總的功能需要及建筑要求選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，如單層大開間的工業(yè)廠房、超市、倉庫，就應選用門式鋼架結(jié)構(gòu)體系。

最后，為了確保輕鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，樓蓋必須體系必須要慎重。在進行樓蓋設計時，樓蓋主次梁必須通過結(jié)構(gòu)措施與樓面板緊密相連，以確保鋼梁的整體穩(wěn)定性。樓蓋的材料，目前主要有現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板、輕骨料加氣砼樓板、壓型鋼板一現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板、預制輕質(zhì)混凝土板等。這些材料中，壓型鋼板-現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板兼具兩種材料的優(yōu)點，因此應用的比較廣泛。

3 輕鋼結(jié)構(gòu)輕量化設計要點

為了體現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)的特點，進一步提高輕鋼結(jié)構(gòu)的性能，在設計的時候必須注重輕量化設計，減輕結(jié)構(gòu)自重。而隨著結(jié)構(gòu)重量的降低，水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響加大，因此輕量化設計與提高結(jié)構(gòu)剛度必須同時進行，具體如下。

3.1 合理選擇材料及其形式

減輕結(jié)構(gòu)自重首先要從維護結(jié)構(gòu)上著手。為了降低重量，可以采用防水、圍護、裝飾一體化的輕質(zhì)多功能新型屋面、墻體材料。目前，這些材料都已經(jīng)實現(xiàn)了標準化生產(chǎn)，使用方面，并且大大降低了結(jié)構(gòu)的自重。所有這些材料、裝置均形成一整套的系列化標準化配套產(chǎn)品，使用方便靈活，最重要的是使重力荷載大為減輕。

其次，從結(jié)構(gòu)體系所使用的材料來看，不僅要考慮是否減輕結(jié)構(gòu)自重，還要滿足安全性和可靠性方面的需要。目前我們國家通常采用Q235和Q345鋼，其中Q235鋼的質(zhì)量等級從低到高分別為A，B，C，D四個等級，Q345鋼的質(zhì)量等級從低到高分別為A，B，C，D，E五個級別。在實際設計中，承重體系要采用Q235B級或Q345A級及以上鋼材，重要部位的鋼材，在使用前必須進行必要的沖擊試驗，以檢測鋼材的沖擊韌性是否滿足要求。

再次，為了最大發(fā)揮鋼材性能，鋼材的截面形狀必須予以充分考慮。依據(jù)材料力學，截面材料離截面形心越遠，其截面慣性矩就越大，其抗彎剛度和結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度也就越大，這樣，材料的性能就能得到最大的發(fā)揮，因此，在實際工程中，對于重要的承重部件以及支撐部件，通常采用薄壁寬肢的C形、Z形和H形截面等形式，以提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。

3.2 提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度

輕鋼結(jié)構(gòu)重量輕，柔性大，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要不是重力荷載，而是水平荷載。在水平荷載作用下，鋼架、屋架、檁條的內(nèi)力容易發(fā)生變化，甚至會出現(xiàn)比較極端的情況，即拉桿變?yōu)閴簵U，這樣，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性就會大大降低，為此，必須采用必要的結(jié)構(gòu)措施來提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，具體如下:

首先，如上所述，在柱間設置單斜桿型、X型、人字或倒人字型、W或倒W型以及偏心支撐等;

其次，當檁條跨度4 m

再次，在梁下翼緣及柱內(nèi)翼緣設置隅撐提高梁下翼緣以及柱內(nèi)翼緣抗壓能力，從而提高梁下翼緣以及柱內(nèi)翼緣的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

輕鋼結(jié)構(gòu)在我國從無到有，從國外引進到消化吸收、開發(fā)自己的輕鋼結(jié)構(gòu)體系，表明輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國發(fā)展很快，并積累了大量的經(jīng)驗。但目前還有許多問題需要進一步研究和完善，如設計及施工方法上還未有建立相關(guān)的規(guī)范，防腐、防火問題還未得到完全的解決等等。但隨著住宅產(chǎn)業(yè)化、綠色化的發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)的應用前景廣闊，因此，大力研究、開發(fā)、推廣和發(fā)展輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系就尤為重要。