門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)已成為世界上鋼產(chǎn)量大國(guó)之一，發(fā)展建筑鋼結(jié)構(gòu)是我國(guó)新的建筑技術(shù)政策，也是未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇。本文結(jié)合自身實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)和色彩豐富且耐久的圍護(hù)結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)單的闡述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用；建設(shè)

1 發(fā)展概況

1.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

早期，國(guó)外門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)主要用于建造私人汽車庫(kù)等簡(jiǎn)易房屋。二戰(zhàn)中，一些拆裝方便的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑用于營(yíng)房和車庫(kù)。隨著材料的發(fā)展，色彩豐富且適應(yīng)性強(qiáng)的彩色鋼板的出現(xiàn)，H型鋼和冷彎型鋼的問(wèn)世，極大地推動(dòng)了門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其作為一種特殊商品用于國(guó)外建筑中。在美國(guó)，非居住單層建筑中50%以上為門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)體系，在英國(guó)則達(dá)到了60%以上。日本新建的1～4層建筑，也多采用了門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

三十多年前，為援外工程和三線建設(shè)的需要，我國(guó)對(duì)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并在廣東韶關(guān)塑料廠工程中進(jìn)行了試點(diǎn)。文化大革命前，原建工部北京工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院參考當(dāng)時(shí)美國(guó)和英國(guó)資料，編制了一套門式剛架通用設(shè)計(jì)圖集，跨度分別為12m、15m、18m，分單跨和雙跨，可配2t懸掛吊車。但當(dāng)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料只有石棉水泥瓦，屬輕屋面材料。文化大革命期間，由于國(guó)內(nèi)鋼材供應(yīng)緊張，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展比較緩慢。改革開放以來(lái)，外國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)公司紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。進(jìn)入八十年代后，在深圳等沿海地區(qū)的建設(shè)中，也從國(guó)外引進(jìn)了大量的門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋，主要用于廠房、車間、樣板房等，跨度以21～24m居多，這些房屋具有協(xié)調(diào)的色彩，搭配上鋁合金門窗，使建筑物極具現(xiàn)代風(fēng)格。1994年建設(shè)部根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，將“輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架”作為“快速房屋體系”課題之一，列入新技術(shù)新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，由北京華洋建設(shè)開發(fā)有限公司承擔(dān)，建設(shè)部長(zhǎng)沙建筑機(jī)械研究院協(xié)作，在長(zhǎng)沙中聯(lián)公司混凝土機(jī)械廠房工程中進(jìn)行了試點(diǎn)，為門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的銷售、設(shè)計(jì)、制作、安裝等積累了經(jīng)驗(yàn)。為了適應(yīng)門式剛架結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要，由中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所等單位主編的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》于1998年9月16日開始執(zhí)行，該規(guī)程的編寫，較廣泛地研究了國(guó)外的資料，較多地吸收了國(guó)外成熱的經(jīng)驗(yàn)，為門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的主要組成部分

承重結(jié)構(gòu)多采用三塊鋼板焊接工字型組合截面組成的門式輕鋼剛架，檁條和墻梁為冷彎z型鋼或冷彎內(nèi)卷邊槽鋼，樓面采用壓型鋼板——混凝土樓板組合樓蓋，墻面及屋面采用彩色壓型鋼板，壓型鋁板或壓型復(fù)臺(tái)板，保溫材料采用巖棉、礦棉和超細(xì)玻璃棉等。

3 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

（1）產(chǎn)品新穎別致，時(shí)代感強(qiáng)，具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)到承重結(jié)構(gòu)都可形成系列。

（2）工期短，5000～10000m的單層房屋從簽訂合同到建成一般只需3個(gè)月左右，可以縮短工期，早日投入使用加快投資回收。

（3）內(nèi)部空曠，結(jié)構(gòu)新穎。在商業(yè)建筑中可減少吊頂?shù)妊b修造價(jià)，還能滿足大跨度的要求。

（4）重量輕，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的重量是混凝土結(jié)構(gòu)的1/8～1/10，是普通鋼結(jié)構(gòu)的1/2～1/3。因而可降低地基基礎(chǔ)造價(jià)，減小地震作用的影響。

4 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（1）單層工業(yè)廠房，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)因其重量輕，跨度大，易于組合，是建造單層廠房的優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式，廠房?jī)?nèi)可設(shè)5t以下懸掛吊車或起重量小于20t的中輕級(jí)工作制吊車。

（2）單層倉(cāng)儲(chǔ)建筑，采用門式剛架輕型結(jié)構(gòu)外形美觀，庫(kù)內(nèi)空間大，施工周期短，改建或轉(zhuǎn)型容易。因此，可廣泛用于碼頭倉(cāng)庫(kù)，商品倉(cāng)庫(kù)及工廠各種庫(kù)房。

（3）商業(yè)建筑，隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)繁榮，各種商業(yè)建筑，如超級(jí)市場(chǎng)、貿(mào)易中心、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)等都要求建筑物跨度大，視野開闊，門式剛架結(jié)構(gòu)是合理的結(jié)構(gòu)形式之一。

5 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

5.1 屋面活荷載取值

框架荷載取0.3kN/m2已經(jīng)沿用多年，但屋面結(jié)構(gòu)，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5kN/m2。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定不上人屋面的活荷載為0.5kN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數(shù)0.6。門式鋼架一般符合此條件，所以可用0.3kN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范保持一致。國(guó)外這類，要考慮0.15～0.5N/m2的附加荷載，而我們無(wú)此規(guī)定，遇到超載情況，就要出安全問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高至0.5kN/m2。現(xiàn)在有的框架梁太細(xì)，檁條太小，明顯有人為減少荷載情況，應(yīng)特別注意，決不允許在有限的活荷載中“偷工減料”。有女兒墻或者高低跨屋面時(shí)，在靠近女兒墻處及高低跨交接處的低跨局部屋面，其雪荷載為平屋面雪荷載的兩倍，此處檁條設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

5.2 屋脊垂度要控制

框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗(yàn)算坡面斜梁撓度外，是否要驗(yàn)算跨中下垂度？過(guò)去不明確，可能不包括屋脊點(diǎn)垂度。現(xiàn)在應(yīng)該是計(jì)算的。一般是將構(gòu)件分段，用等截面程序計(jì)算，每段都要計(jì)算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于是驗(yàn)算了跨中垂度。跨中垂度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。有的工程由于屋面豎向剛度過(guò)小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。

5.3 鋼柱換混凝土柱

少數(shù)設(shè)計(jì)的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與混凝土柱中的預(yù)埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節(jié)省鋼材和降低造價(jià)。在廠房中，的確是有用混凝土柱和鋼桁架組成的框架，但此時(shí)梁柱只能鉸接，不能剛接。多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因?yàn)榛炷潦且环N脆性材料，雖然構(gòu)件可以通過(guò)配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很差，在外力作用下很容易松動(dòng)和破壞。有些設(shè)計(jì)，在門式剛架設(shè)計(jì)好之后，又根據(jù)業(yè)主要求將鋼柱換成混凝土柱，而梁截面不變。應(yīng)當(dāng)指出，混凝土柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成混凝土柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構(gòu)件內(nèi)力也不同，要的工程斜梁很細(xì)，可能與此有關(guān)。

5.4 檁條計(jì)算不安全

檁條計(jì)算問(wèn)題較大。檁條是冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時(shí)要屈曲，強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用有效寬度，對(duì)原有截面要減弱，不能像熱軋型鋼那樣全截面有效。有效寬度理論是在《冷彎薄壁型鋼構(gòu)件技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）中講的，有的設(shè)計(jì)人員恐怕還不了解，甚至有些設(shè)計(jì)軟件也未考慮。但是，設(shè)計(jì)光靠軟件不行，還要能判斷。軟件未考慮的，自己要考慮。再有，設(shè)計(jì)人員往往忽略強(qiáng)度計(jì)算要用凈斷面，忽略釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6～15%，對(duì)小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計(jì)算不用凈截面，實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。《規(guī)范》4.1.8、9條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計(jì)算；受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計(jì)算；穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計(jì)算。變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計(jì)算”。

6 發(fā)展門式輕相結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

（1）門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)是技術(shù)相對(duì)密集的領(lǐng)域，從理論分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制作安裝都需要較高的技術(shù)水平，因而應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)企業(yè)的管理，以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是制作企業(yè)的管理，更為重要。

（7）積極開展門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)有關(guān)項(xiàng)目的研究工程。

7 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需，已將輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架作為快速房屋體系課題之一。門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)不僅在商業(yè)建筑中可減少吊頂?shù)妊b修造價(jià)而且時(shí)代感強(qiáng)，具有系列化，還能滿足大跨度的要求，造價(jià)合理，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。