淺談輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展

梁 棟

輕鋼結(jié)構(gòu)作為鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的一種,是近年來在我國發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu),以其眾多優(yōu)點(diǎn)在我國受到越來越多行業(yè)的青睞,當(dāng)前形勢下,輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與未來發(fā)展就顯得尤為重要。

所謂輕鋼結(jié)構(gòu),即輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系,一般是結(jié)構(gòu)荷載較小,結(jié)構(gòu)桿件也較小,構(gòu)件壁厚較薄的一類結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)是以熱軋輕型H型鋼、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。近30年來輕鋼結(jié)構(gòu)在歐美國家逐步發(fā)展起來,已經(jīng)形成了一整套十分成熟的技術(shù),典型的北美鋼結(jié)構(gòu)住宅就是一種輕型鋼骨結(jié)構(gòu)體系。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

1)結(jié)構(gòu)自重輕,抗震性能好:大幅減少基礎(chǔ)造價(jià),尤其適用于地質(zhì)條件較差的地區(qū);鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu),自重輕,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)小,用于結(jié)構(gòu)抗震措施的費(fèi)用少,適用于地震多發(fā)區(qū)。2)施工周期短:輕鋼結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件均可以由工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),質(zhì)量穩(wěn)定,現(xiàn)場拼裝,全部干作業(yè)施工,不受環(huán)境季節(jié)影響,對一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房僅需45 d～60 d,而若采用鋼筋混凝土建筑則要8個(gè)月～12個(gè)月左右。3)綜合經(jīng)濟(jì)效益好:由于施工周期短,可以提前投入使用,提前獲取投資效益;因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)建筑的自重輕,一般情況下不需要做樁基,可以節(jié)省投資。根據(jù)目前我國的市場價(jià)格,輕鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)已經(jīng)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),當(dāng)跨度越大時(shí),其優(yōu)勢更為明顯。4)環(huán)保性好:無噪聲、無污染。建筑材料可拆卸,并100%回收,符合國家土地資源政策、環(huán)保政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,是環(huán)保型建筑的典范。5)舒適性更好:采用新型輕質(zhì)圍護(hù)材料,不霉變,不助燃,不蟲蛀;裝修一次到位,少維修;輕鋼墻體采用高效節(jié)能體系,具有呼吸功能,可調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣干濕度。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)

1)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?？箓?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)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:高密度木纖維水泥板;滿鋪壓型鋼板再澆筑20 mm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。3)墻體結(jié)構(gòu)。目前,墻體主要分為自承重式和非自承重式。自承重墻體主要包括用于外墻的加氣混凝土塊、輕鋼龍骨加強(qiáng)板、太空板等,以及用于內(nèi)墻的石膏板、輕鋼混凝土板、水泥刨花板、稻草板等。外掛的非自承重式墻體材料主要有彩色壓型鋼板、彩色壓型鋼夾芯板、玻璃纖維增強(qiáng)外墻板等。結(jié)構(gòu)的承重墻一般為內(nèi)橫墻。為提高墻柱的穩(wěn)定性,一般墻柱高度范圍內(nèi)設(shè)三道輕鋼拉條。采用非自承重式墻體材料,需設(shè)置墻梁用以懸掛外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。門窗洞口上下要布置。墻梁多采用C形或Z形冷彎薄壁型鋼,尺寸取決于跨度(剛架間距)和墻距(板跨)。4)建筑保溫節(jié)能技術(shù)。為確保建筑物達(dá)到保溫效果,一般除了在墻的墻柱間填充玻璃纖維外,在墻外側(cè)再貼一層保溫材料,有效隔斷了通過墻柱至外墻板的熱橋;樓層之間格柵內(nèi)填充玻璃纖維,減少通過樓層的熱傳遞;所有內(nèi)墻墻體的墻柱之間均填充玻璃纖維,減少戶墻之間的熱傳遞。5)建筑防火技術(shù)。火災(zāi)是對鋼結(jié)構(gòu)建筑的最大危害,鋼材雖為非燃燒材料,但鋼材不耐火,對于輕鋼結(jié)構(gòu)尤其要注意防火技術(shù)的應(yīng)用,所以,鋼結(jié)構(gòu)不僅要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì),還要采用防火措施保護(hù)。目前常用的防火措施有防火涂料法、隔離法、實(shí)心包裹法、膨脹漆覆蓋法。6)建筑隔聲技術(shù)。輕鋼建筑中,將玻璃棉填充在內(nèi)外墻及樓蓋格柵之間,能有效阻止通過空氣傳播的噪聲,而對于通過固體傳播的沖擊聲,有兩種處理辦法:對于分戶墻用兩道墻柱構(gòu)成帶有中間空隙的兩道墻體;而對于吊頂用的固定石膏板的小龍骨,用帶有小切槽的彈性構(gòu)造以有效減少樓層間的固體聲傳播。

3 輕鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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)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 mm～150 mm的鋼筋混凝土板,壓型鋼板與鋼梁之間用栓釘連接。3)檁條支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)。檁條可分為實(shí)腹式檁條、空腹式檁條和格構(gòu)式檁條,優(yōu)先采用實(shí)腹式構(gòu)件。實(shí)腹式檁條宜采用卷邊槽形和帶斜卷邊的Z形冷彎薄壁型鋼。檁條一般設(shè)計(jì)成單跨簡支構(gòu)件,實(shí)腹式檁條尚可設(shè)計(jì)成連續(xù)構(gòu)件。4)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)?？蚣芰褐?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)件端部焊一端板(翼緣與端板應(yīng)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(qiáng)度螺栓互相連接。

4 輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展所面臨的問題

1)輕鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有待進(jìn)一步形成和完善。我國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是針對幾十年來大量使用的結(jié)構(gòu)體系編制的,近幾年,根據(jù)建設(shè)部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作計(jì)劃,雖然有一些輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范出版,但在全國還尚未形成強(qiáng)制性規(guī)范條文。在建造試驗(yàn)工程并取得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,就應(yīng)不失時(shí)機(jī)地編制相應(yīng)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于與國外標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)環(huán)境的差異,甚至標(biāo)準(zhǔn)管理方式和部門分工的不同,都使這項(xiàng)工作在我國具有相當(dāng)?shù)碾y度,要把國外輕鋼結(jié)構(gòu)住宅嫁接到中國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系中來,還有許多深入細(xì)致的研究和協(xié)調(diào)工作要做。2)輕鋼建筑設(shè)計(jì)理念與國外存在一定的差距。輕鋼結(jié)構(gòu)建筑由于其特殊的材料和先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件,得以使設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì),即建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)完成,并不像混凝土建筑的設(shè)計(jì)是按著先建筑設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行設(shè)計(jì),國外輕鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)都是遵循這樣一條理念,而國內(nèi)的大多數(shù)企業(yè)仍執(zhí)行混凝土建設(shè)設(shè)計(jì)的原則。另外,我國輕鋼結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分開來進(jìn)行,而國外普遍的做法是統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì),甚至有些企業(yè)仍然執(zhí)行建筑模數(shù)制,這就保證了建筑整體安裝的精確度。3)缺少研究輕鋼結(jié)構(gòu)的專業(yè)工程技術(shù)人員。我國在較長的一段時(shí)間內(nèi),大多從事單一的混凝土結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和施工,此外,中等或是高等專業(yè)學(xué)校的教學(xué)內(nèi)容中均未涉及輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系,因此我國建筑類專業(yè)的工程技術(shù)人員對這一體系知之甚少,而更加缺乏的是熟練技術(shù)工人,目前應(yīng)大力加強(qiáng)和提高各級技術(shù)人員的輕鋼結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)水平,充分發(fā)揮各高等院校、學(xué)術(shù)團(tuán)體等舉辦輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)講座、規(guī)范培訓(xùn)班等。4)現(xiàn)行的建筑管理模式與輕鋼結(jié)構(gòu)這種工業(yè)化生產(chǎn)方式不相適應(yīng)。在建筑管理方面,我國現(xiàn)行的建筑管理模式與輕鋼結(jié)構(gòu)住宅這種工業(yè)化生產(chǎn)方式也不適應(yīng),因此,要改變現(xiàn)行的建筑管理模式以適應(yīng)輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化的生產(chǎn)方式。

5 結(jié)語

本文在理解輕鋼結(jié)構(gòu)基本概念的基礎(chǔ)上,探究了輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念,分析了輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)、輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn),提出輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展所面臨的問題,對輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 中華鋼結(jié)構(gòu)論壇、機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院.輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 姜紅衛(wèi).淺談輕鋼結(jié)構(gòu)中屋面系統(tǒng)的若干問題[J].中國集體經(jīng)濟(jì),2008(2):9-12.