自進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速，特別是一些代表城市標(biāo)志性高層建筑的建成，為鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展揭開了新的一頁。如*三高的上海88層、高420m的金茂大廈業(yè)已竣工，現(xiàn)已投入運(yùn)營。據(jù)稱世界*高度的上海浦東*金融中心，95層高460m，建筑面積為31萬m2，現(xiàn)正在加緊建設(shè)中。由外商投資的大連總統(tǒng)大廈，正在加緊籌建之中，共95層，據(jù)稱建成后其高度將名列世界*。
輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展則更是如火如荼，特別在工業(yè)廠房的建設(shè)中則更為迅猛。從鋼結(jié)構(gòu)制造加施工企業(yè)數(shù)量的大幅增長就可窺見一斑，如上海市的鋼結(jié)構(gòu)制造和施工單位已由原來的幾十家一下子發(fā)展到現(xiàn)在的400多家，單上海的寶鋼地區(qū)就有近百家的鋼結(jié)構(gòu)制造廠。大好形勢下，如何因勢利導(dǎo)，抓好設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，這是當(dāng)前一個(gè)十分迫切的問題。本文擬就輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)、材料選擇和設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)、塑性設(shè)計(jì)及腹板屈曲后強(qiáng)度的利用和蒙皮效應(yīng)等作一概略介紹，利于讀者對輕鋼結(jié)構(gòu)有一個(gè)比較全面的了解。
輕鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)及其適用范圍
所謂輕鋼結(jié)構(gòu)通常是指由下列鋼材所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)：①冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu);②熱軋輕型鋼結(jié)構(gòu);③焊接或高頻焊接輕型鋼結(jié)構(gòu);④輕型鋼管結(jié)構(gòu);⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
一.適用范圍
根據(jù)我國目前情況來看，這種結(jié)構(gòu)由于其用度廣、優(yōu)勢明顯，已大量應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、多層工業(yè)廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構(gòu)件等。對單層工業(yè)廠房而言，通常以H型鋼，采用焊接連接作為梁柱，以C形或Z形輕鋼板作檁條，屋蓋系統(tǒng)或樓面系統(tǒng)用壓型彩色鋼板作面層，上面可澆混凝土，壓型鋼板既可作為鋼筋，必要時(shí)也可以再配鋼筋。墻面圍護(hù)也可采用單層或夾層壓型鋼板，夾層板內(nèi)部可充填各種保溫層。
二.主要優(yōu)點(diǎn)
⑴施工周期短：輕鋼結(jié)構(gòu)的zui大優(yōu)點(diǎn)是所有構(gòu)件均可以由工廠制作現(xiàn)場拼接安裝，對一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房僅需45d至2個(gè)月，而若采用鋼筋混凝土建筑則要8～12個(gè)月左右。
⑵綜合經(jīng)濟(jì)效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前獲取投資效益;更由于采用色彩鮮艷的彩色壓型鋼板，美觀華麗，改善了周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)感;因?yàn)榻ㄖ锉旧淼淖灾剌p，一般情況下不需要做樁基，可以節(jié)省投資;由于采用了聚苯已烯泡沫夾心板或單板加保溫棉等措施后，使保溫、隔熱和隔章等效果良好。彩色鋼板是以鍍鋅為基板又用硅酮作為表面，經(jīng)兩除兩烘加工而成，耐久性也較好，根據(jù)目前我國的市場價(jià)格，輕鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)已經(jīng)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)廠房的跨度越大時(shí)，其優(yōu)勢更為明顯，這也是它賴以競爭的一大優(yōu)勢。
?、强拐鹦阅芎茫河捎阡摻Y(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，因而能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害影響程度，極有利于抗震。我國是一個(gè)多地震區(qū)國家，在地震區(qū)建筑中應(yīng)多多推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，必可大大減少地震災(zāi)害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓(xùn)應(yīng)予記起。目前，天津市已正式啟動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。
?、纫擞诓鹦栋徇w：一旦業(yè)主對所造廠址不滿意或外界環(huán)境發(fā)生意想不到的變化，則整個(gè)建筑可在很短時(shí)間內(nèi)拆遷，損失極小，而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無法具備的。
正是由于輕鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且隨著近年來防火、防腐新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，已較好地解決了輕鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性差的缺點(diǎn)，使得它在工業(yè)廠房以及民用設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用。
鋼結(jié)構(gòu)一般分為普通鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)，它們之間并無明顯的界限。其計(jì)算規(guī)則都是一樣的。所謂輕鋼結(jié)構(gòu)，一般是結(jié)構(gòu)荷載較小，結(jié)構(gòu)桿件也較小，構(gòu)件壁厚較薄的一類結(jié)構(gòu)，一般采用門式鋼架、屋架和網(wǎng)架為主要承重結(jié)構(gòu)。正因?yàn)檩p鋼結(jié)構(gòu)上作用的荷載較小，所以，使得結(jié)構(gòu)效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)力一般較小，這就使得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度往往不成問題，而由于構(gòu)件斷面較小，截面慣性距較小，使得結(jié)構(gòu)的剛度也隨著減小，結(jié)構(gòu)的整體和局部穩(wěn)定成為在設(shè)計(jì)中必須引起重視的主要問題。這就是輕鋼結(jié)構(gòu)自己的特點(diǎn)。了解了這個(gè)特點(diǎn)，我們就可以采取相應(yīng)的措施，比如可以采用增加支撐和拉條，以滿足桿件的長細(xì)比要求，增設(shè)加勁肋以滿足構(gòu)件的局部穩(wěn)定等。
A.門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
下面講一下我們常見的門式剛架結(jié)構(gòu)。門式剛架輕型房屋，其結(jié)構(gòu)一般由主骨架和支撐系統(tǒng)構(gòu)成，主骨架包括：1）主受力構(gòu)件-門式剛架;2）墻架;3）檁條等;支撐系統(tǒng)包括：1）剛架柱之間的垂直支承;2）剛架梁之間的水平支撐;3）剛性系桿、拉條;4）隅撐等。
從以上的構(gòu)成可以看出，支撐系統(tǒng)占有很大的比例，這也是輕鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
門式剛架房屋上作用的荷載一般有：豎向荷載（結(jié)構(gòu)自重，雪荷載，積灰荷載，）和水平荷載（風(fēng)荷載，吊車剎車力）,還有地震荷載（水平和豎向）。由于輕鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，所以對地震的反應(yīng)也較輕，這一點(diǎn)對抗震非常有利。
B.判斷結(jié)構(gòu)是否適合用輕鋼結(jié)構(gòu)
是否為輕鋼，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)承受荷載的大小，以及結(jié)構(gòu)類型來定的。1、樓、屋面結(jié)構(gòu)體系：如果是鋼筋混凝土樓、屋面板，荷載較大就不能用輕鋼結(jié)構(gòu);2、吊車荷載：如果有較大噸位的吊車就不符合輕鋼結(jié)構(gòu)的要求;3、結(jié)構(gòu)體系：要是建筑物為多層，或是比較高的單層結(jié)構(gòu)也不宜按輕鋼設(shè)計(jì)。
C.《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002的適用范圍
適用于主要承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實(shí)腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或僅有起重量不大于20t的中、輕級(jí)工作制橋式吊車或3t懸掛式起重機(jī)的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)。
D.門式剛架各構(gòu)件的作用
門式剛架，建筑物上的各種荷載主要由它承擔(dān)并將其傳給基礎(chǔ)，剛架與基礎(chǔ)的連接有剛接和鉸接兩種形式，一般宜采用鉸接，當(dāng)水平荷載較大，房屋高度較高或剛度要求較高時(shí)，也可采用剛接。剛架柱與斜梁為剛接。剛架的特點(diǎn)是平面內(nèi)剛度較大而平面外剛度很小，這就決定了它在水平荷載作用時(shí)，可承擔(dān)平行與剛架平面的荷載，而對于垂直剛架平面的荷載卻無能為力。
墻架，主要承擔(dān)墻體自重和作用于墻上的水平荷載（風(fēng)荷載），并將其間接傳給主體結(jié)構(gòu)。
檁條，承擔(dān)屋面荷載，并將其傳給剛架。檁條還通過螺栓與每榀剛架連接起來，與墻架梁一起與剛架形成空間結(jié)構(gòu)。
由于檁條和墻架梁之間都是由螺栓連接的，連接點(diǎn)近似于鉸接，又由于檁條和墻架梁的長細(xì)比都較大，在平行于房屋縱向荷載的作用下，其傳力剛度有限，所以有必要在屋面的各剛架之間設(shè)置一定數(shù)量的剛性系桿。我們剛才說了，剛架平面外的剛度很小，這樣，我們必須設(shè)置剛架柱之間的柱間支撐和剛架梁之間的水平支撐，使其形成具有足夠剛度的結(jié)構(gòu);由于檁條和墻架的平面外剛度小，所以，有必要設(shè)置拉條（增加支撐），以減小在這個(gè)方向的長細(xì)比;對于剛架斜梁，一般是上翼緣受壓，下翼緣受拉，上弦由于檁條相連，一般不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，但當(dāng)屋面風(fēng)荷載吸力作用時(shí)斜梁下翼緣有可能變號(hào)受壓從而失穩(wěn)，因此，設(shè)置隅撐就十分必要了。
另外門式剛架與基礎(chǔ)是通過地腳螺栓連接的，當(dāng)水平荷載作用形成的剪力較大時(shí)螺栓就要承擔(dān)這些剪力，我們一般不希望螺栓來承擔(dān)這部分剪力，在設(shè)計(jì)時(shí)我們也沒考慮它的作用，而是設(shè)置剛架柱腳與基礎(chǔ)之間的剪力鍵來承擔(dān)這部分剪力。
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