輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)問(wèn)題的探討

王 潔

隨著我國(guó)建筑業(yè)的高速發(fā)展，諸多先進(jìn)的建筑技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用于建筑業(yè)中。輕鋼結(jié)構(gòu)因其諸多優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，已廣泛地被應(yīng)用到建筑工程中。許多的建筑結(jié)構(gòu)因其建筑跨度較大，并且無(wú)大噸位的吊車(chē)等承載結(jié)構(gòu)而特別適合采用輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式。同時(shí)，許多新型輕型屋面材料的問(wèn)世，進(jìn)一步推動(dòng)了輕鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)中的應(yīng)用。相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，輕鋼結(jié)構(gòu)存在三大優(yōu)勢(shì):1)因輕鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，一般跨度設(shè)計(jì)較大，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益;2)輕鋼結(jié)構(gòu)中所有施工構(gòu)件可在廠(chǎng)房?jī)?nèi)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)省了施工周期，有明顯的時(shí)間效益;3)可依據(jù)具體需要而設(shè)計(jì)出造型獨(dú)特，美觀(guān)大方的獨(dú)特設(shè)計(jì)形式。伴隨著輕鋼結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，一些設(shè)計(jì)工作中存在的典型問(wèn)題也越發(fā)突出，具體問(wèn)題如下。

1 鋼材選用

設(shè)計(jì)中通常根據(jù)構(gòu)件功能不同而選擇不同的鋼材。例如，門(mén)式剛架、吊車(chē)梁、焊接的檁條及墻梁等構(gòu)件宜采用 Q235B或Q345A及以上等級(jí)的鋼材。非焊接的檁條和墻梁等構(gòu)件可采用Q235A等較低強(qiáng)度鋼材。鋼材的選用還應(yīng)根據(jù)具體實(shí)際情況考慮以下幾個(gè)方面:

1)依據(jù)經(jīng)濟(jì)性選用鋼材。通常Q235鋼與Q345鋼的差價(jià)在700元/t左右。一些研究表明，一般的無(wú)吊車(chē)剛架結(jié)構(gòu)，其柱距在6 m～9 m之間，并且其跨度在15 m～27 m之間時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度考慮宜選用Q345，則結(jié)構(gòu)整體用鋼量可降低16%～28%。在設(shè)計(jì)工作中，構(gòu)件截面以強(qiáng)度進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用Q345較高強(qiáng)度鋼材;構(gòu)件截面以剛度進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用Q235鋼。

2)依據(jù)設(shè)計(jì)荷載采用不同鋼材。例如，直接承受動(dòng)荷載的構(gòu)件，考慮結(jié)構(gòu)共振等動(dòng)力效應(yīng)，一般采用 Q235.B，Q235.C，Q235.D及Q345鋼。直接承受靜荷載或間接承受動(dòng)荷載的構(gòu)件則可選用Q235.B，Q235.B·F。

3)依據(jù)施工溫度采用不同鋼材。例如，施工過(guò)程中，工作溫度通常低于－20℃ 時(shí)，宜選用Q235.C或Q235.D等鋼材;工作溫度高于－20℃時(shí)，可選用Q235.B等鋼材。

2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

輕鋼結(jié)構(gòu)的諸多設(shè)計(jì)因素都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)產(chǎn)生影響，例如，跨度、柱距、檁距、結(jié)構(gòu)檐口高度、屋面坡度、構(gòu)件截面形式等因素。一般的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員在考慮結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)放在構(gòu)件應(yīng)力比的控制上，而忽視以上提到的諸多影響因素。研究表明，從結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)出發(fā)，常規(guī)門(mén)式剛架的合理跨度范圍在18 m～30 m之間，吊車(chē)噸位較大時(shí)的合理跨度在24 m～30 m;無(wú)吊車(chē)或吊車(chē)噸位較小時(shí)的合理跨度在18 m～21 m。常用門(mén)式剛架的合理柱距一般為7 m～9 m，當(dāng)無(wú)吊車(chē)或吊車(chē)噸位較小時(shí)的合理柱距可取8 m～9 m;當(dāng)?shù)踯?chē)噸位較大時(shí)的合理柱距可取7 m。因此，輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體使用要求同時(shí)考慮各種影響因素，在結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度或剛度控制下，充分考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作。

3 柱腳設(shè)計(jì)

輕鋼結(jié)構(gòu)中柱腳采用鉸接還是剛接形式應(yīng)該根據(jù)具體工程情況，綜合考慮房屋高度、風(fēng)荷載大小、有無(wú)吊車(chē)、吊車(chē)噸位大小和工作情況及土質(zhì)情況等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)要求中，工業(yè)廠(chǎng)房并且內(nèi)有5 t以上橋式吊車(chē)時(shí)，柱腳宜采用剛接;門(mén)式剛架柱腳與基礎(chǔ)宜采用鉸接。

4 支撐設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，假如支撐系統(tǒng)未能形成完整的傳力路線(xiàn)，則部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件就不能發(fā)揮作用，造成浪費(fèi)。一般支撐系數(shù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤如下:

1)屋面支撐設(shè)置壓桿。一般屋面支撐只承受拉力作用，所以屋面支撐多采用施加預(yù)拉力的圓鋼。此時(shí)，在屋面支撐設(shè)置壓桿構(gòu)件，其壓桿實(shí)際不起任何作用，無(wú)法傳遞水平力。一般設(shè)計(jì)中，輕鋼結(jié)構(gòu)中壓桿要單獨(dú)設(shè)置。若檁條能夠滿(mǎn)足壓桿的設(shè)計(jì)要求(壓桿輕度和長(zhǎng)細(xì)比)，則可以用檁條替代壓桿。

2)通長(zhǎng)壓桿設(shè)置位置不當(dāng)。縱向通長(zhǎng)壓桿是整個(gè)支撐系統(tǒng)的重點(diǎn)部位，廠(chǎng)房?jī)?nèi)通過(guò)縱向通長(zhǎng)壓桿將廠(chǎng)房縱向連成整體，將各道屋面支撐或柱間支撐連接為整體受力結(jié)構(gòu)。假如生搬硬套設(shè)計(jì)規(guī)范中的要求，則有可能造成通長(zhǎng)壓桿的設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成受力不均或無(wú)法傳力等情況，造成不必要的浪費(fèi)等。

5 拉條設(shè)置

拉條是輕鋼結(jié)構(gòu)中的輔助構(gòu)件，其作用主要為:承受檁條側(cè)向力、減小檁條側(cè)向變形、對(duì)檁條起到側(cè)向支撐作用、減小檁條的計(jì)算長(zhǎng)度等。其中，拉條的力學(xué)傳遞機(jī)理如下:

通常雙坡對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)屋面內(nèi)，在屋脊處設(shè)置拉條構(gòu)件，將屋脊檁條連接起來(lái)，使兩側(cè)拉條的受力互相平衡。此時(shí)，拉條會(huì)對(duì)檁條產(chǎn)生垂直于屋面向下的合力。在一般設(shè)計(jì)中，屋脊檁條由于其承受的屋面荷載面積較小，所以與其他檁條相比其受力較小，但如果考慮了拉條對(duì)其產(chǎn)生的垂直力，則應(yīng)對(duì)屋脊檁條的受力情況進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。

輕鋼規(guī)程(CECS 102∶2002)第6.3-5條中指出“當(dāng)檁條倒向檐口時(shí)應(yīng)在檐口布置斜拉條與撐桿”。另外，依據(jù)力學(xué)原理，在如下情況時(shí)在檐口需要布置斜拉條與撐桿:1)因?yàn)槔瓧l只能承受拉力，將拉條作為檐口和屋脊檁條的側(cè)向支撐點(diǎn)時(shí)，檁條無(wú)論如何受力變形都被拉條拉住，拉條此時(shí)可能同時(shí)承受拉、壓力。這樣的設(shè)計(jì)形式在檁條兼作屋面支撐的壓桿和計(jì)算檁條在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定性時(shí)是非常重要的。2)當(dāng)屋面采用“鋼絲網(wǎng)+鋁箔+玻璃棉+彩鋼板”時(shí)，安裝時(shí)需將鋼絲網(wǎng)張緊，在檐口處則會(huì)對(duì)檁條產(chǎn)生沿屋面向上的拉力，易將檁條拉彎，此時(shí)也應(yīng)在檐口設(shè)斜拉條和撐桿。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題的總結(jié)，可以得出如下結(jié)論:在輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮經(jīng)濟(jì)效益與結(jié)構(gòu)的合理受力模式。設(shè)計(jì)中應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件功能不同而選擇不同的鋼材以

達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益要求。設(shè)計(jì)人員在考慮結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)在重視構(gòu)件應(yīng)力比的控制上，同時(shí)考慮跨度、柱距、檁距、結(jié)構(gòu)檐口高度、屋面坡度、構(gòu)件截面形式等因素。支撐系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)力學(xué)原理近似設(shè)計(jì)，對(duì)于不發(fā)揮受力效果的壓桿等盡量不進(jìn)行設(shè)計(jì)，以避免浪費(fèi)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行拉條等輔助構(gòu)件的設(shè)計(jì)等。

［1］ CECS 102∶2002，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ 02SG518-1，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)國(guó)標(biāo)圖集［S］.

［3］ 宋延勇，李元齊.淺談?shì)p鋼龍骨結(jié)構(gòu)住宅體系［J］.山西建筑，2010，36(24):74-75.