輕鋼結(jié)構(gòu)特性和在房屋工程中的應(yīng)用

郭俊瓊

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 輕鋼結(jié)構(gòu)的概念

1.1 輕鋼結(jié)構(gòu)的定義

輕鋼結(jié)構(gòu)即輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，是以熱軋輕型H鋼、輕型焊接型鋼、高頻焊接型鋼、冷彎薄壁型鋼、薄鋼板和薄壁鋼管等高效能結(jié)構(gòu)鋼材和高效功能材料為主，以各類高效裝飾連接材料為輔組裝而成，能滿足建筑特定使用功能和特定空間需求的輕型全裝配鋼結(jié)構(gòu)建筑。

1.2 輕鋼結(jié)構(gòu)和重鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)別

根據(jù)輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程，輕鋼結(jié)構(gòu)和重鋼結(jié)構(gòu)可用主要受力構(gòu)件的截面組成以及重量來(lái)區(qū)分。以下的結(jié)構(gòu)都可稱為輕型鋼結(jié)構(gòu):(1)由冷彎薄壁型鋼建成的結(jié)構(gòu);(2)由熱軋輕型型鋼建成的結(jié)構(gòu);(3)由焊接和高頻焊接輕型型鋼組成的結(jié)構(gòu);(4)由圓管、方管、矩形管等建成的結(jié)構(gòu);(5)由薄鋼板焊成的構(gòu)件建成的結(jié)構(gòu)。以下的結(jié)構(gòu)可以稱為重型鋼結(jié)構(gòu):(1)用鋼量大于等于50 kg/m2;(2)主要構(gòu)件鋼板厚度大于等于10mm。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑特性

2.1 輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)

2.1.1 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

抗側(cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分為純鋼框架體系、框架—支撐體系、鋼框架—混凝土剪力墻體系、周圍抗側(cè)力體系等。對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)體系的選擇，可根據(jù)建筑平面設(shè)計(jì)的要求靈活處理，綜合使用不同的抗側(cè)力體系。

2.1.2 樓面屋蓋系統(tǒng)

樓面和屋蓋都必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減小樓板厚度，增加室內(nèi)凈高。壓型鋼板—混凝土組合樓蓋是目前應(yīng)用較為廣泛的形式。其樓蓋由C形輕鋼格柵與鋪于格柵上的薄板組成。樓面有三種做法，分別為:高密度木纖維水泥板;滿鋪壓型鋼板再澆筑20mm的陶粒輕骨料混凝土;滿鋪定向木纖維板或高密度層壓膠合板。

2.2 輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 鋼架柱與梁

輕鋼結(jié)構(gòu)鋼架柱和梁的設(shè)計(jì)主要應(yīng)進(jìn)行梁柱板件的寬厚比限值計(jì)算、梁柱構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算、梁腹板加勁肋的配置、鋼架柱整體穩(wěn)定計(jì)算等。鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開(kāi)間，鋼架柱在兩個(gè)方向都承受較大的彎矩，同時(shí)應(yīng)該考慮強(qiáng)柱弱梁的要求。

2.2.2 屋面板樓蓋設(shè)計(jì)

在多層輕鋼房屋中，樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性。因此，它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外，更主要的作用是保證與抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)調(diào)作用;從抗震角度來(lái)看，還應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)和構(gòu)造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結(jié)構(gòu)有:壓型鋼板—現(xiàn)澆混凝土組合樓板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土板以及鋼—混凝土疊合板，而以第一種最為常用，即在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，再澆筑100～150mm的鋼筋混凝土板，壓型鋼板與鋼梁之間用栓釘連接。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

框架梁柱節(jié)點(diǎn)一般采用兩種連接方法，弱軸方向與梁的連接多采用鉸接，而強(qiáng)軸方向采用剛接形式。一般均采用在構(gòu)件端部焊一塊端板(翼緣與端板應(yīng)采用全焊透對(duì)接焊縫，腹板與端板可采用角焊縫)，然后再用高強(qiáng)度螺栓互相連接。

2.3 輕鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)抗震性:低層別墅的屋面大都為坡屋面，因此屋面結(jié)構(gòu)基本上采用的是由冷彎型鋼構(gòu)件做成的三角型屋架體系，輕鋼構(gòu)件在封完結(jié)構(gòu)性板材及石膏板之后，形成了非常堅(jiān)固的“板肋結(jié)構(gòu)體系”，這種結(jié)構(gòu)體系有著更強(qiáng)的抗震及抵抗水平荷載的能力，適用于抗震烈度為8度以上的地區(qū)。

(2)抗風(fēng)性:型鋼結(jié)構(gòu)建筑重量輕、強(qiáng)度高、整體剛性好、變形能力強(qiáng)。建筑物自重僅是磚混結(jié)構(gòu)的五分之一，可抵抗70m/s的颶風(fēng)，使生命財(cái)產(chǎn)能得到有效的保護(hù)。

(3)耐久性:輕鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)全部采用冷彎薄壁鋼構(gòu)件體系組成，鋼骨采用超級(jí)防腐高強(qiáng)冷軋鍍鋅板制造，有效避免鋼板在施工和使用過(guò)程中的銹蝕影響，增加了輕鋼構(gòu)件的使用壽命。結(jié)構(gòu)壽命可達(dá)100年。

(4)節(jié)能環(huán)保:全部采用高效節(jié)能墻體，保溫、隔熱、隔音效果好，可達(dá)到50%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn);材料可100%回收，真正做到綠色無(wú)污染。

3 輕鋼結(jié)構(gòu)在房屋工程中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用

某采用輕鋼結(jié)構(gòu)的典型廠房，雙20m跨，雙坡屋面，雙跨各設(shè)10 t和20 t吊車，軌頂處高8 m，地處7度地震區(qū)如圖1。

圖1 輕鋼結(jié)構(gòu)廠房

該設(shè)計(jì)在廠房中應(yīng)用較為普遍，但有一些問(wèn)題應(yīng)該引起重視。其屋蓋橫向水平支撐設(shè)在端部第一跨，而柱間支撐則設(shè)在端部第二跨，與“在設(shè)置支撐的開(kāi)間，宜同時(shí)設(shè)置屋蓋橫向水平支撐，以組成幾何不變體系”的原則不符，不能很好地起到作用。

同時(shí)這一廠房屋面坡度較大，中柱上柱高(牛腿標(biāo)高以上)比邊柱高出1.2 m，而中柱和邊柱使用同一尺寸的上柱柱間支撐，使得上柱支撐傳來(lái)的縱向力不能直接傳到下柱支撐，直至基礎(chǔ)頂面，使柱子中部承受上柱柱間支撐傳來(lái)的水平分力，會(huì)造成一定的結(jié)構(gòu)隱患。

圖2 多層輕型鋼結(jié)構(gòu)示意

3.2 輕鋼結(jié)構(gòu)在民用住宅中的應(yīng)用

目前輕鋼結(jié)構(gòu)用于民宅的還不多，不過(guò)由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該在民用住宅領(lǐng)域得到大力的推廣。圖2為輕鋼結(jié)構(gòu)在民宅中的應(yīng)用。

在圖2的剛架設(shè)計(jì)中，剛架的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)即梁柱連接的剛節(jié)點(diǎn)應(yīng)給予高度重視，并嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)程的強(qiáng)制性條文規(guī)定。

3.3 輕鋼結(jié)構(gòu)在車站建設(shè)中的應(yīng)用

某火車站臺(tái)雨棚，全長(zhǎng)180m，柱距6 m，如圖3所示。

圖3 車站雨棚

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)有一處不太合理，需引起注意。因柱頂有集水溝及落水管，將柱頂縱向水平剛性系桿移到懸臂梁的端部，與“單跨房屋邊柱柱頂和屋脊應(yīng)沿房屋全長(zhǎng)設(shè)置剛性系桿”的原則不符。集水溝與柱頂?shù)倪B接只是一般定位焊接，沒(méi)有傳遞縱向水平力的要求，不能起到縱向剛性系桿的作用，使站臺(tái)罩棚縱向穩(wěn)定性無(wú)法保證。

4 結(jié)論

(1)輕鋼結(jié)構(gòu)特性鮮明、優(yōu)點(diǎn)突出，在房屋建設(shè)中，可以很好的替代磚瓦、混凝土等傳統(tǒng)建筑材料。

(2)輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在我國(guó)還處于發(fā)展階段，一些設(shè)計(jì)理念和施工技術(shù)尚不成熟，在設(shè)計(jì)時(shí)需著重注意支撐系統(tǒng)布置、連接構(gòu)造設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

［1］CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］

［2］GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］梁棟.淺談?shì)p鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展［J］.山西建筑，2010，36(7)