我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況

摘 要 本文介紹了門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的特點、應(yīng)用及其在我國的發(fā)展研究概況，總結(jié)了目前門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的研究熱點。

關(guān)鍵詞 門式剛架 輕型房屋鋼結(jié)構(gòu) 發(fā)展

中圖分類號：TU39文獻標識碼：A

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)主要是由梁、柱、檁條、墻梁、支撐、屋面和墻體等構(gòu)件組成的一種結(jié)構(gòu)體系。具有重量輕、整體剛度較好、柱網(wǎng)布置靈活、支撐系統(tǒng)簡潔、綜合經(jīng)濟效益較高等特點。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設(shè)施等工業(yè)與民用建筑中。如各類輕型廠房、體育場館、車站候車大廳、倉庫、物流中心、大型超市、展覽廳、活動房屋、加層建筑、碼頭建筑、辦公場所以及輔助性建筑等。

1 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史

從人類發(fā)展歷史看，建筑形式與結(jié)構(gòu)體系的產(chǎn)生與發(fā)展總與一定時期的生產(chǎn)和生活水平密切相關(guān)，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生也有著特定的歷史背景。

輕型鋼結(jié)構(gòu)在國外發(fā)展較早，最初是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，主要用于建造私人車庫等簡易房屋。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭的需要，輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)主要用于建造一些拆裝方便的營房和庫房。

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)最早起源于美國，并且發(fā)展最快、應(yīng)用最廣。后來在歐洲、日本和澳大利亞等國也得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。因其構(gòu)件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點，此種結(jié)構(gòu)形式一經(jīng)推出就深受建筑業(yè)喜愛。

上世紀20世紀中期，建筑鋼材產(chǎn)量大增，鋼材的冶煉水平也有了很大突破，色彩豐富、耐久性強的彩色壓型鋼板隨之出現(xiàn)， H型鋼和冷彎薄壁型鋼相繼問世，這些都極大地推動了門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。加之加工設(shè)備的不斷改善，設(shè)計形式的多樣化，使門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系逐漸應(yīng)用于大型工業(yè)廠房、商業(yè)建筑及公共交通設(shè)施等。實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計、出圖的程序化，構(gòu)件加工的工廠化，安裝施工和經(jīng)營管理的一體化流程。

目前，大部分國外輕鋼結(jié)構(gòu)公司都具有自己的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)系列，由于門式剛架構(gòu)件的剛度良好，其平面內(nèi)、外的剛度差別較小，為制作、運輸、安裝提供了較有利的條件。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可全部在工廠制作，工業(yè)化程度高，運輸便捷，安裝方便快速，土建施工量小，綜合經(jīng)濟效益高。在美國、日本等一些鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)比較發(fā)達的國家，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)作為一種及既經(jīng)濟又快捷的建筑結(jié)構(gòu)體系，以商品的形式對外出售。

2 我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚，建國初期在一些舊工廠改建時曾應(yīng)用過類似門式剛架體系的結(jié)構(gòu)。上世紀50年代我國大規(guī)模建設(shè)時期，為了節(jié)約鋼材，則大量地采用鋼筋混凝土構(gòu)件。80年代后，隨著外資的引進，門式剛架結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡潔、剛度良好、受力合理、使用空間大及施工方便等特點，得到迅速發(fā)展。主要表現(xiàn)在兩個方面：

2.1 外國廠家的進入，新技術(shù)新產(chǎn)品的引進

（1）1979年上海引進日本S60壓型鋼板成型機并用于廠房倉庫的屋面，1980年上海寶鋼引進日本W(wǎng)550、V115N壓型鋼板成型機，并在一期工程屋面墻面圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用近60萬平方米，是80年代初首次用量最大的工程。

（2）1983年開始深圳經(jīng)濟開發(fā)區(qū)蛇口工業(yè)區(qū)大量引進英國、美國、澳洲和日本等國門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房倉庫。隨后沿海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)也陸續(xù)引進國外輕鋼廠房倉庫。

（3）1994年美國公司投資創(chuàng)建上海美建鋼結(jié)構(gòu)有限公司，1996年嘉定工廠建成投產(chǎn)。

（4）1994年美國美聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)有限公司（U.S.A.公司）和美國宏宇建筑有限公司在中國建成工程數(shù)十項。

（5）1994年ASTRON建筑體系進入中國，先后在北京、蘇州等地建成十幾項大工程。

而后還有很多外資、臺資企業(yè)進入我國。

2.2 門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋在我國的發(fā)展

（1）1980年上海寶鋼建設(shè)指揮部成立壓型鋼板壓型鋁板試驗研究專題組，對一期工程引進的日本彩色涂層壓型鋼板及成型設(shè)備進行消化吸收，試驗利用國內(nèi)鋁合金板替代彩色涂層鋼板做成壓型板用于屋面墻面圍護結(jié)構(gòu)，經(jīng)過調(diào)查及大量的試驗研究，在寶鋼一期工程屋面墻面推廣應(yīng)用鋁合金壓型鋼板60多萬平方米。

（2）1984年冶金部建筑研究總院科研人員在學(xué)習(xí)上寶鋼及深圳蛇口工業(yè)區(qū)壓型鋼板及門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國具體情況研究開發(fā)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房倉庫，首先用于商業(yè)部急需建設(shè)的國家棉花儲備倉庫，三年間在冀魯豫三省四十多個地區(qū)，建設(shè)輕鋼棉花倉庫300多棟，建筑面積達20多萬平方米。

（3） 冶金部建筑研究總院是國內(nèi)最早進行輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋研究開發(fā)的單位，院內(nèi)有一批科研人員對輕型焊接H型鋼、冷彎薄壁型鋼、壓型鋼板的力學(xué)性能、加工工藝及其加工設(shè)備、另配件連接件及密封材料進行研究開發(fā)，并結(jié)合工程進行輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計和推廣應(yīng)用，主持或參加國家規(guī)程規(guī)范和標準的編制。

（4）隨著我國經(jīng)濟的快速增長，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋行業(yè)也得到飛速發(fā)展，尤其在東南沿海地區(qū)，新建工廠倉庫的需求增長促使輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋加工安裝的廠家如雨后春筍般的發(fā)展起來，從開始的小規(guī)模發(fā)展到現(xiàn)在的現(xiàn)代化大企業(yè)，杭蕭鋼構(gòu)、浙江精工、恒達鋼構(gòu)、上海通用、吳泰鋼構(gòu)、寶鋼彩板、北方空間鋼構(gòu)、北京福田鋼構(gòu)、北京多維鋼構(gòu)、四川恒升等企業(yè)都是專業(yè)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠家，每年的銷售額都在幾億、十幾億元以上。

（5）壓型鋼板夾芯板加工廠家遍布全國各地，有的廠家已經(jīng)具有獨自的屋面墻面圍護系統(tǒng)，有的廠家引進國外先進設(shè)備，技術(shù)水平不斷提高。目前國內(nèi)的壓型板板型幾十種，其生產(chǎn)線大部分都是國內(nèi)制造的。引進夾芯板生產(chǎn)線的廠家比較多，據(jù)不完全統(tǒng)計有二十多條生產(chǎn)線，主要從意大利、德國、韓國、澳洲等國引進。目前國內(nèi)廠家也能制作夾芯板生產(chǎn)線。

（6）門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的大量應(yīng)用，帶動了相關(guān)配套行業(yè)的發(fā)展和興旺，設(shè)計軟件的開發(fā)，焊接型鋼、冷彎薄壁型鋼及壓型鋼板等加工設(shè)備的制造，采光瓦、零配件連接件和密封材料的生產(chǎn)廠家和代理也很多，技術(shù)水平都在逐步提高。

回顧我國二十多年來鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展歷史，可以說以門式剛架為主的輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋是一項發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的建筑新技術(shù)新產(chǎn)品。

除此之外，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的有關(guān)設(shè)計施工規(guī)程規(guī)范和圖集也在進一步完善。

（1）冶金工業(yè)部部標準《壓型金屬板設(shè)計施工規(guī)程》YBJ216-88，冶金工業(yè)部建筑研究總院主編。

（2）中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002?！堕T式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件》JG144-2002。

（3）中華人民共和國國家標準《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002，《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205-2002中都有剛架、檁條與墻梁、壓型鋼板的專門章節(jié)。

（4）新編標準圖集有：《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)（無吊車）》圖集號02SG518-1，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)（有吊車）》圖集號04SG518-3，《壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構(gòu)造》01J925-1，06J925-2等。

3 目前門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的研究熱點

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系的理論還不很完善，存在著很大的理論探索空間。目前的熱點問題有以下幾個方面：

理論研究方面：

（1）門式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應(yīng)，蒙皮結(jié)構(gòu)具有較大承載力及剛度，而自重卻很輕。如何考慮蒙皮效應(yīng)與結(jié)構(gòu)共同工作的空間作用。

（2）由于剛架的截面抵抗矩與抗彎承載力成正比，故剛架梁和柱都可以根據(jù)其截面上的彎矩值大小，采用變截面形式，變截面位置處根據(jù)需要可改變腹板的高度和厚度及翼緣的寬度，以達到節(jié)省材料的目的。又因為門式剛架的腹板較薄，可按有效寬度設(shè)計，即允許部分腹板失穩(wěn)，并可利用其屈曲后強度。

而變截面的梁柱，在腹板局部屈曲后，其剛架結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定極限承載力的研究還有待進一步深入。

實驗驗證方面：在靜力和動力荷載及地震荷載作用下，節(jié)點、基本構(gòu)件和整體剛架結(jié)構(gòu)的受力性能、破壞機理，及其對門式剛架體系的極限穩(wěn)定承載力的影響。

設(shè)計方面：

（1）需進一步開發(fā)更合理的設(shè)計軟件，如以用鋼量為目標函數(shù)，以極限承載力或不適合變形為控制參數(shù)的計算機分析、優(yōu)化設(shè)計軟件。

（2）構(gòu)件、剛架節(jié)點、彩板節(jié)點設(shè)計的可靠性、方便性和適用性。

生產(chǎn)技術(shù)方面：焊接工藝的連續(xù)性和高效性，切割、組立（或拼裝）、焊接、校正以及拋丸除銹和防腐處理技術(shù)等。吊裝過程中的安全性以及安裝精度對結(jié)構(gòu)受力的影響。壓型板以及配套附件安裝的安裝工藝，板型連接和節(jié)點處理質(zhì)量等。

參考文獻

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