輕鋼結構分析及輕量化設計

摘 要:輕鋼結構相比于傳統的鋼結構更輕，它由基礎體系、承重體系、支撐體系、樓蓋體系、維護結構等部分組成，在設計時尤其要注意其輕量化設計。

關鍵詞:輕鋼結構結構體系輕量化設計

中圖分類號:TU318文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0023-01

20世紀80年代以來隨著鋼產量的不斷攀升，國外的輕鋼結構也進入了國內市場，并隨著其應用越來越廣，人們對其認識也發生了重大轉變。概而言之，現代輕鋼結構是指以各種H型鋼、冷彎薄壁型鋼、焊接薄鋼板變截面梁、柱等構成的建筑結構，與傳統的輕鋼結構相比，它更突出了“輕”字，并且應用范圍也進一步擴大，由工用向民用拓展，顯示了其強大的生命力。

1 現代輕鋼結構的特點分析

(1)鋼結構首要的特點就是結構自重輕，強度高的特點，工程造價低的特點。而現代輕鋼結構更輕，由于采用了輕型H型鋼、冷彎薄壁型鋼、薄鋼管等材料，材料的性能更能得到充分的發揮。

(2)結構體系簡單，設計有程序可依。目前有許多比較成熟的輕鋼結構設計程序，如中國建筑科學院開發的STS軟件，同濟大學開發的3D3S程序、建筑標準設計研究所開發的GFCAD等等，所有這些軟件大大減少了設計周期。

(3)材料規格種類少，能夠標準化生產。輕鋼結構變大型部件為梁、柱、板結構，部件的單位由大變小，部件的生產、運輸、吊裝更加輕便。而且部件的組裝空間的任意性強，能夠有效縮短施工周期，能夠提前投入使用。

(4)采用大空間結構，方便使用者根據需要對空間進行功能劃分。輕鋼結構采用的是框架或框架剪筒式結構，并沒有事先規定功能區域，用戶可以根據自己的需要，對室內空間進行任意分割。

(5)有利于環保，輕鋼結構的構件之間通常采用螺栓連接，拆裝方便，整個建筑物可在很短的時間內拆遷，損失極小，并且當建筑物的全壽周期結束后，很少產生固體垃圾，有利于環保。

(6)輕鋼結構具有良好的抗震性能。由于輕鋼結構的柔性比較好，能夠很好地消耗地震能量，因此，在地震中，破壞極小，并且，由于現代輕鋼結構自重更輕，材料簡單，即便在地震中發生很大的破壞，也不會導致很大的傷亡。

因此，現代輕鋼結構相比于其他結構來說，具有無可比擬的綜合經濟效益和社會效益。

2 輕鋼結構體系組成

輕鋼結構通常由基礎體系、支撐體系、以及承重體系、樓蓋體系、維護體系等部分組成。其中，基礎體系、支撐體系、承重體系以及樓蓋體系對輕鋼結構最為重要，直接與結構的穩定性、安全性相關。

首先，就基礎體系說，輕鋼結構自重輕，對基礎要求相對較低，通常以柱下獨立基礎為主，當地基比較弱的時候，可以采用十字形或條形基礎。但由于各基礎之間彼此獨立，因此，必須要考慮各個基礎之間的不均勻沉降問題，選擇基礎場地時，必須要對基礎的地質狀況進行必要的勘察、計算，確定采用何種基礎及尺寸大小，以避免不均勻沉降對對整個結構的影響。

其次，輕鋼結構柔性大，因此水平荷載對其影響很大，為了保持結構的穩定性，就必須要在柱間布置支撐體系，通常有單斜桿型、X型、人字或倒人字型、W或倒W型以及偏心支撐等形式，每一種形式的承載力也各不相同，在我們的設計中，通常是根據結構所承載的水平作用力的大小，采用模擬試驗的方式進行選擇。

再次，承重結構直接與建筑物的使用功能相關，通常說來，輕鋼結構承重體系主要有鋼架結構體系、多層結構體系，其中后者又包含框架結構體系、框架－支撐體系、夾心板組合房屋體系等多種體系，每一種結構體系的適用范圍各不相同，在實際設計中，必須根據總的功能需要及建筑要求選擇合適的結構體系，如單層大開間的工業廠房、超市、倉庫，就應選用門式鋼架結構體系。

最后，為了確保輕鋼結構的整體穩定性，樓蓋必須體系必須要慎重。在進行樓蓋設計時，樓蓋主次梁必須通過結構措施與樓面板緊密相連，以確保鋼梁的整體穩定性。樓蓋的材料，目前主要有現澆鋼筋混凝土樓板、輕骨料加氣砼樓板、壓型鋼板一現澆鋼筋混凝土組合樓板、預制輕質混凝土板等。這些材料中，壓型鋼板-現澆鋼筋混凝土組合樓板兼具兩種材料的優點，因此應用的比較廣泛。

3 輕鋼結構輕量化設計要點

為了體現輕鋼結構的特點，進一步提高輕鋼結構的性能，在設計的時候必須注重輕量化設計，減輕結構自重。而隨著結構重量的降低，水平荷載對結構的影響加大，因此輕量化設計與提高結構剛度必須同時進行，具體如下。

3.1 合理選擇材料及其形式

減輕結構自重首先要從維護結構上著手。為了降低重量，可以采用防水、圍護、裝飾一體化的輕質多功能新型屋面、墻體材料。目前，這些材料都已經實現了標準化生產，使用方面，并且大大降低了結構的自重。所有這些材料、裝置均形成一整套的系列化標準化配套產品，使用方便靈活，最重要的是使重力荷載大為減輕。

其次，從結構體系所使用的材料來看，不僅要考慮是否減輕結構自重，還要滿足安全性和可靠性方面的需要。目前我們國家通常采用Q235和Q345鋼，其中Q235鋼的質量等級從低到高分別為A，B，C，D四個等級，Q345鋼的質量等級從低到高分別為A，B，C，D，E五個級別。在實際設計中，承重體系要采用Q235B級或Q345A級及以上鋼材，重要部位的鋼材，在使用前必須進行必要的沖擊試驗，以檢測鋼材的沖擊韌性是否滿足要求。

再次，為了最大發揮鋼材性能，鋼材的截面形狀必須予以充分考慮。依據材料力學，截面材料離截面形心越遠，其截面慣性矩就越大，其抗彎剛度和結構的抗側剛度也就越大，這樣，材料的性能就能得到最大的發揮，因此，在實際工程中，對于重要的承重部件以及支撐部件，通常采用薄壁寬肢的C形、Z形和H形截面等形式，以提高結構的剛度和穩定性。

3.2 提高結構的側向剛度

輕鋼結構重量輕，柔性大，對結構產生影響的主要不是重力荷載，而是水平荷載。在水平荷載作用下，鋼架、屋架、檁條的內力容易發生變化，甚至會出現比較極端的情況，即拉桿變為壓桿，這樣，結構的穩定性和可靠性就會大大降低，為此，必須采用必要的結構措施來提高結構的側向剛度，具體如下:

首先，如上所述，在柱間設置單斜桿型、X型、人字或倒人字型、W或倒W型以及偏心支撐等;

其次，當檁條跨度4 m

再次，在梁下翼緣及柱內翼緣設置隅撐提高梁下翼緣以及柱內翼緣抗壓能力，從而提高梁下翼緣以及柱內翼緣的整體穩定性。

4 結語

輕鋼結構在我國從無到有，從國外引進到消化吸收、開發自己的輕鋼結構體系，表明輕鋼結構住宅在我國發展很快，并積累了大量的經驗。但目前還有許多問題需要進一步研究和完善，如設計及施工方法上還未有建立相關的規范，防腐、防火問題還未得到完全的解決等等。但隨著住宅產業化、綠色化的發展，輕鋼結構的應用前景廣闊，因此，大力研究、開發、推廣和發展輕型鋼結構住宅體系就尤為重要。