輕鋼結構特性和在房屋工程中的應用

郭俊瓊

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

1 輕鋼結構的概念

1.1 輕鋼結構的定義

輕鋼結構即輕型鋼結構建筑體系，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構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構建筑。

1.2 輕鋼結構和重鋼結構的區別

根據輕型鋼結構設計規程，輕鋼結構和重鋼結構可用主要受力構件的截面組成以及重量來區分。以下的結構都可稱為輕型鋼結構:(1)由冷彎薄壁型鋼建成的結構;(2)由熱軋輕型型鋼建成的結構;(3)由焊接和高頻焊接輕型型鋼組成的結構;(4)由圓管、方管、矩形管等建成的結構;(5)由薄鋼板焊成的構件建成的結構。以下的結構可以稱為重型鋼結構:(1)用鋼量大于等于50 kg/m2;(2)主要構件鋼板厚度大于等于10mm。

2 輕鋼結構的建筑特性

2.1 輕鋼結構的構造特點

2.1.1 抗側力結構系統

抗側力結構系統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、周圍抗側力體系等。對于輕鋼結構體系的選擇，可根據建筑平面設計的要求靈活處理，綜合使用不同的抗側力體系。

2.1.2 樓面屋蓋系統

樓面和屋蓋都必須有足夠的強度、剛度和穩定性，同時應當盡量減小樓板厚度，增加室內凈高。壓型鋼板—混凝土組合樓蓋是目前應用較為廣泛的形式。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 輕鋼結構的設計要點

2.2.1 鋼架柱與梁

輕鋼結構鋼架柱和梁的設計主要應進行梁柱板件的寬厚比限值計算、梁柱構件的強度計算、梁腹板加勁肋的配置、鋼架柱整體穩定計算等。鋼結構住宅一般為大開間，鋼架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時應該考慮強柱弱梁的要求。

2.2.2 屋面板樓蓋設計

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力結構的空間協調作用;從抗震角度來看，還應采用相應的技術和構造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結構有:壓型鋼板—現澆混凝土組合樓板，現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 節點設計

框架梁柱節點一般采用兩種連接方法，弱軸方向與梁的連接多采用鉸接，而強軸方向采用剛接形式。一般均采用在構件端部焊一塊端板(翼緣與端板應采用全焊透對接焊縫，腹板與端板可采用角焊縫)，然后再用高強度螺栓互相連接。

2.3 輕鋼結構的主要優點

(1)抗震性:低層別墅的屋面大都為坡屋面，因此屋面結構基本上采用的是由冷彎型鋼構件做成的三角型屋架體系，輕鋼構件在封完結構性板材及石膏板之后，形成了非常堅固的“板肋結構體系”，這種結構體系有著更強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。

(2)抗風性:型鋼結構建筑重量輕、強度高、整體剛性好、變形能力強。建筑物自重僅是磚混結構的五分之一，可抵抗70m/s的颶風，使生命財產能得到有效的保護。

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

(4)節能環保:全部采用高效節能墻體，保溫、隔熱、隔音效果好，可達到50%的節能標準;材料可100%回收，真正做到綠色無污染。

3 輕鋼結構在房屋工程中的應用實例

3.1 輕鋼結構在工業廠房中的應用

某采用輕鋼結構的典型廠房，雙20m跨，雙坡屋面，雙跨各設10 t和20 t吊車，軌頂處高8 m，地處7度地震區如圖1。

圖1 輕鋼結構廠房

該設計在廠房中應用較為普遍，但有一些問題應該引起重視。其屋蓋橫向水平支撐設在端部第一跨，而柱間支撐則設在端部第二跨，與“在設置支撐的開間，宜同時設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。

同時這一廠房屋面坡度較大，中柱上柱高(牛腿標高以上)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，使得上柱支撐傳來的縱向力不能直接傳到下柱支撐，直至基礎頂面，使柱子中部承受上柱柱間支撐傳來的水平分力，會造成一定的結構隱患。

圖2 多層輕型鋼結構示意

3.2 輕鋼結構在民用住宅中的應用

目前輕鋼結構用于民宅的還不多，不過由于其顯著的優點，應該在民用住宅領域得到大力的推廣。圖2為輕鋼結構在民宅中的應用。

在圖2的剛架設計中，剛架的關鍵節點即梁柱連接的剛節點應給予高度重視，并嚴格遵守設計規程的強制性條文規定。

3.3 輕鋼結構在車站建設中的應用

某火車站臺雨棚，全長180m，柱距6 m，如圖3所示。

圖3 車站雨棚

經分析發現，該設計有一處不太合理，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沿房屋全長設置剛性系桿”的原則不符。集水溝與柱頂的連接只是一般定位焊接，沒有傳遞縱向水平力的要求，不能起到縱向剛性系桿的作用，使站臺罩棚縱向穩定性無法保證。

4 結論

(1)輕鋼結構特性鮮明、優點突出，在房屋建設中，可以很好的替代磚瓦、混凝土等傳統建筑材料。

(2)輕鋼結構房屋在我國還處于發展階段，一些設計理念和施工技術尚不成熟，在設計時需著重注意支撐系統布置、連接構造設計等問題。

［1］CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］

［2］GB 50017－2003鋼結構設計規范［S］

［3］梁棟.淺談輕鋼結構的設計與發展［J］.山西建筑，2010，36(7)