鋼結構設計的探討—以多層輕鋼結構設計為例

摘 要：本文通過兩個案例的分析，闡述了多層輕鋼結構的發展和設計需求以及其在建筑業中應用的優勢。為建筑業的發展提供參考。

關鍵詞：多層輕鋼；輕鋼結構；結構設計

1 引言

我國建筑業的高速發展促進了許多新型輕型屋面材料得到開發，越來越多先進的建筑材料在建筑業中得到應用，也促進了輕鋼結構在建筑業中的應用。輕鋼結構是一種年輕而極具生命力的鋼結構體系，輕鋼結構以其抗震性、抗風性、耐久性、保溫性、隔音性、健康性、舒適快捷及環保等優勢廣泛應用于一般工農業、商業、服務性建筑。

2 多層輕鋼工業廠房體系和結構布置特點

2.1 結構體系

多層輕鋼工業廠房因為高度低和層數少多為框架一支撐結構和純鋼架結構。根據實際情況選擇結構體系，可以降低鋼的用量，并且滿足工藝要求。

2.1.1 純框架結構

鑒于工藝設計中管線布置和機械設備擺放等限制，柱間不能設置支撐，故選擇純框架結構。純框架結構由工字型梁和十字型柱（H型柱）或箱型柱構成。純框架結構每個部分的剛度分布均勻，平面布置靈活，且延性較大，自振周期長，具有良好的抗震性，可以為工程提供足夠的室內空間。

2.1.2 框架一支撐結構

框架一支撐結構與純框架結構對比，具有簡單的節點形式、用鋼量少和側移剛度大的特征。框架一支撐結構一般為X型，也有八字型、人字型和門型支撐，由工字型梁柱構成。橫向承重體系是框架一支撐結構的主要承重體系，空間連系作用依靠樓板與次梁，柱和縱向聯系梁鉸接。設置支撐柱間的同時還應設置屋蓋橫向支撐，支撐設在第二開處或兩端，構成幾何不變體系，以便整體剛度的提高。在屋面可以選取柔性拉桿支撐結構，柱間則要應用剛性圓鋼管作為支撐。橫向縱向都需布置支撐的情況是在8度設防地區的情況下。

2.2 圍護結構

在多層輕鋼型廠房中，彩色涂層的壓型鋼板和夾芯金屬板取代了傳統多層廠房的砌體圍護墻體。這種輕型圍護結構具有保溫隔熱效果好、自重輕、容易安裝和美觀的外表的特點，采用輕型圍護結構可以降低對基礎的要求和大幅度減輕結構的自重。

屋面結構一般選取z型冷彎薄壁型或大斷面的C型鋼檁條體系，板跨與鋼架間距決定檁條的尺寸，以1~2m的等間距在屋脊和檐口布置，增加房屋的縱向剛度，為主鋼架平面提供外約束，縱向水平力得到傳遞。檁條高度一般為140~250m，有些則可以達到300m，厚度為1.5~3.0mm。當鋼架間距大于9m時，則需要選擇桁架式。Z型為連續檁條，C型為簡支，鋼架與檁條的連接可以采用檁托。

墻梁同樣選取Z型或C型冷彎薄壁型鋼，板跨（墻距）與鋼架間距（跨度）決定墻梁的尺寸，以1~3m的間距在門窗洞口上下布置，增加房屋的縱向剛度，為主鋼架平面提供外約束，縱向水平力得到傳遞。當間距大于9m時，則要考慮設置墻架柱以便降低墻梁鋼架間距。

3 設計方法與基本要求

3.1 設計方法

在地震烈度大于6度的地區中，要考慮水平地震對結構布置均勻的多層輕鋼廠房的作用，故一般用底部剪力法計算。多層廠房如果其結構布置對稱則可以簡化為平面框架模型進行計算，而復雜的結構則要建立空間框架模型再計算。

增大梁剛度的方法考慮樓板的組合作用是結構計算普遍采用的方法。對組合梁剛度評價有三種方法：平均剛度法，等價截面慣性矩法，Newmark方程法。平均剛度法是把正彎矩區組合截面的剛度K+與負彎矩區純鋼構件的截面剛度K一的平均值作為組合梁的等價截面剛度。一般選擇平均剛度法作為實際工程中的評價方法。

4 具體工程實例

4.1 某工業廠房工程

4.1.1 工程背景

某工業廠房，主體四層，局部三層，寬度15m（6.5m+8.5m），柱距7m，全長63.5m，建筑面積3600m2。屋面采用BHP壓型鋼板保溫屋面系統，首層窗臺以下為240粘土磚墻，其余外墻面采用BHP壓型鋼板保溫墻面系統，內墻為60ram厚，保溫壁板。屋面支撐采用圓鋼20mm柔性支撐，柱間采用Φ114x3.0圓管支撐。樓面活荷載為3.5kN/m2，恒荷載為4.0kN/m2；屋面活荷載0.5kN/m2，恒荷載0.5kN/m2：基本風壓0.35kN/m2；設計地震烈度為7度，Ⅱ類場地。

4.1.2 計算方法

結構分析通過融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型軟件包有限元分析軟件ANSYS來完成計算，內力分析和結構自振周期的計算采用三維梁單元，四節點三維殼單元，質量單元，二力桿單元。組合樓蓋的空間聯系作用是空間計算模型要考慮的要素。

4.13 計算分析

此案例中采用橫向的承重體系，其中梁柱均為等截面。在不改變梁截面形式，只改動鋼架柱的情況下，采用框架一支撐體系和純框架體系進行比較。框架一支撐結構同時建立空間和平面兩種模型圖，純框架結構建立空間模型。

表1 框架一支撐體系的兩種計算模型比較

橫向主自振周期

（s）風荷載作用下最大層間位移

（mm）地震作用下最大層間位移

（mm）

平面模型1.8477.4044.436

空間模型1.1536.9518.655

從表1可以獲知框架一支撐體系平面模型和空間模型主要結構剛度指標的數據，可以得出：

（1）框架一支撐可以減少結構橫向自振周期，剛度得到增強，有重要的空間連系作用。

（2）平面模型低估了地震的作用力，在地震的作用下，結構的層間位移偏小為49%。

所以，當多層輕鋼廠房在地震烈度大于等于7度時的地區時，應該通過建立空間模型進行計算。

表2給出兩種體系空間模型的主要計算結果。可以看出：

（1）在支撐作用下，框架一支撐在縱向有較大的剛度；

（2）純框架結構與框架一支撐體系對比，在工字型柱橫向具有較大慣性矩的情況下，框架一支撐體系的剛度大，自振周期小，側向位移小。

（3）在這里對用鋼量較大的純框架結構不宜考慮，框架一支撐體系可以節約總用鋼量17%，具有更高的經濟性。

4.2 某裝配車間

4.2.1 工程背景

選取的電子裝配車間為平面呈矩形的多層輕鋼結構，總長為84m，寬27.9m，總面積10533m2。

裝配車間樓面為壓型鋼板組合樓蓋，屋面選擇雙層保溫層面板與薄壁型鋼C型檁條，墻面是外掛夾板，內墻采用輕鋼龍骨石膏板輕質隔墻。裝配車間地基風壓為0.30kN/m2；設計地震烈度為7度，Ⅳ類場地。樓面恒荷載為3.8kN/m2。，各層樓面活荷載為7.5kN/m2，其余樓面活荷載為4.5kN/m2：屋面活荷載0.3kN/m2，恒荷載0.5kN/m2。

4.2.2 計算分析

此案例同樣通過有限元分析軟件ANSYS來完成計算，模型為平面結構。分別設計兩種方案：方案一的框架一支撐結構不考慮樓蓋組合作用，方案二的框架一支撐結構考慮樓蓋的組合作用。樓板厚為100mm，混凝土為C40，組合梁的設計按照《鋼～混凝土樓蓋結構設計與施工規程》（YB9238—1992）的要求采用彈性設計方法。組合梁的換算剛度選取平均剛度法，長期荷載效應是組合梁換算截面時考慮的因素，鑒于輕鋼結構梁翼緣厚度小，故梁的剛度增大系數要小于等于2.0，負彎矩區的截面剛度則只需考慮鋼梁的貢獻。通過表3兩組方案主要參數的比較，可以得出：

（1）在組合的作用下，需增大梁的剛度，梁的撓度則至少1/3；

（2）有效的增大體系剛度的方式則要采用組合梁蓋梁；

（3）采用方案二可以降低梁高，增加凈空，減少用鋼量，減低成本。

5 結論

通過上述案例的分析，可以看出多層輕鋼結構廠房具有明顯的經濟效益。在符合工藝要求且考慮樓蓋組合作用的框架一支撐體系可以降低成本，加大凈空，增強側向剛度。相信在未來的建筑業中，多層輕鋼結構廠房將會得到越來越廣泛的應用。

參考文獻：

[1] GB50017-2003《鋼結構設計規范》.

[2]《鋼-混凝土組合樓蓋結構設計與施工規程》（YB9238-92）.

[3] GB50011-2010建筑抗震設計規范.

[4] GB50009-2001《筑結構荷載規范》2006年版.

[5] GB50010-2010混凝土結構設計規范.