新型輕鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)研究

田鏡楷

(太原理工大學(xué))

1 新型輕型鋼結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)

輕鋼結(jié)構(gòu)體系是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，其采用薄壁冷彎C、Z型鋼與H型鋼等進(jìn)行組合，形成建筑的骨架，然后利用彩色涂層壓型鋼板和夾芯板構(gòu)建成為建筑的屋面和墻體.這種建筑的結(jié)構(gòu)形式正逐步取代當(dāng)前廣泛使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑.

輕鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的基礎(chǔ)可以分為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)和鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)兩種形式.其中，獨(dú)立基礎(chǔ)適合于在地質(zhì)情況優(yōu)良的場合使用，而條形基礎(chǔ)則適合于地質(zhì)情況較為惡劣的場地中使用.施工過程中，首先要預(yù)埋地腳螺栓，并在增加墊片之后與建筑的鋼柱相連接.對(duì)于采用輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物，其采用預(yù)制構(gòu)件的方式構(gòu)建，在施工現(xiàn)場不進(jìn)行焊接、鉆孔等操作.建筑的主鋼架(梁、柱)采用焊接型鋼或者熱軋型鋼作為構(gòu)件材料，這樣可以充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)性能以及構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度.而結(jié)構(gòu)體系中的次構(gòu)件，諸如檁條，則是在經(jīng)過防腐處理之后形成的冷彎薄壁Z、C型鋼，其通過螺栓與主鋼架連接起來.

由于輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的圍護(hù)體系，包括屋頂、墻體等，是采用彩鋼壓型板、夾芯板構(gòu)成的，而且是采用子宮螺栓將之與屋面、沿墻的檁條連接起來.圍護(hù)體系的壓型鋼板是將鍍鋅鋼板或者彩色涂層鋼板作為基材，在經(jīng)過輥壓冷彎處理成型之后成為建筑的圍護(hù)體系結(jié)構(gòu)板材.另外，為了達(dá)到隔熱保溫的作用，其隔熱層中加入了離心超細(xì)玻璃絲棉卷氈.彩鋼壓型板通過現(xiàn)場制作的方式，有效解決了大范圍內(nèi)面板搭接過程中出現(xiàn)的接縫不嚴(yán)實(shí)的問題，通過現(xiàn)場復(fù)合的方式讓一個(gè)大面積的屋面成為了一個(gè)整體，使得屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固、防漏、保溫、易排水，同時(shí)增加了整個(gè)建筑外形的統(tǒng)一性、美觀性與協(xié)調(diào)性.而建筑的夾芯板則是將彩色鋼板的面板與底板將具有功能的芯材粘接起來，形成一種保溫的復(fù)合圍護(hù)板材.根據(jù)所夾保溫芯材的不同，又可以將之分為硬質(zhì)聚氨脂、聚苯乙烯以及巖棉三種夾芯板.其通常采用工廠預(yù)制的方式進(jìn)行制作，利用搭接與咬合的方式連接起來.

2 輕鋼結(jié)構(gòu)體系的主要類型

針對(duì)低、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的需求，當(dāng)前主要采用的幾種典型輕鋼結(jié)構(gòu)體系類型包括以下幾類.

2.1 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件采用薄鋼板冷彎成為C形、Z形、U形等結(jié)構(gòu)件，能夠的按度使用，同時(shí)也可以組合使用.由于各個(gè)桿件之間的連接采用自攻螺釘進(jìn)行連接，因此這種鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)的剛性難以得到保證，其抗側(cè)能力較差，通常只適合于1～2層的低層建筑或者是別墅.

2.2 框架結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)前，框架結(jié)構(gòu)體系廣泛的應(yīng)用在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)當(dāng)中.由于其縱向與橫向都設(shè)置有鋼制框架，且門窗的設(shè)置較為靈活，能夠提供空間較大的開間，利于住戶的二次設(shè)計(jì)，能夠很好的滿足多種生活需求.鋼框架結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮到了樓蓋的組合作用，并將之應(yīng)用到多層建筑當(dāng)中，能夠很好的滿足建筑的抗側(cè)需求.但是，由于當(dāng)前框架柱主要以H型鋼為主，其軸向的梁柱連接剛度不足，所以在設(shè)計(jì)施工過程中需要予以謹(jǐn)慎處理.

2.3 框架支撐結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于承受地震載荷以及風(fēng)載較大的區(qū)域，框架支撐結(jié)構(gòu)體系能夠顯著提高建筑的抗側(cè)剛度，增強(qiáng)偏交支撐于軸交支撐效果.該種結(jié)構(gòu)體系一般是多重抗側(cè)體系，而且梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)能夠采用半剛接、鉸接等連接形式，具有施工構(gòu)造較為簡單，建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)能夠承受較大軸向力、體形較小的有點(diǎn)，已經(jīng)逐步成為了輕鋼結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)形式.

2.4 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在低層和高層建筑當(dāng)中，能夠應(yīng)用傳統(tǒng)的剪切墻體系，例如鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)等.當(dāng)前，正在研究設(shè)計(jì)的空腔結(jié)構(gòu)板就屬于一種典型的抗側(cè)結(jié)構(gòu).其中，空腔結(jié)構(gòu)板是一種新型的輕質(zhì)板材，利用黃紙制作成為用固有多種等邊空腔結(jié)構(gòu)的板狀基本架構(gòu)，在經(jīng)過浸漬處理之后成為空腔結(jié)構(gòu).該種板材實(shí)現(xiàn)了與鋼結(jié)構(gòu)框架的可靠連接，形成了一種新形勢的剪力墻.與此同時(shí)，美國和澳洲等還開發(fā)設(shè)計(jì)形成了新穎的交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系.

3 新型輕鋼結(jié)構(gòu)體系主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)

3.1 建筑樓面屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了滿足建筑隊(duì)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)可靠度的要求，建筑的屋蓋和樓面首先要滿足有足夠的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性.同時(shí)，還應(yīng)該通過適當(dāng)減少樓板厚度，增加建筑室內(nèi)凈高的方式提高整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的可靠度.當(dāng)前，廣泛使用的壓型鋼板-混凝土組合樓蓋具有施工周期短、樓蓋平面剛度大以及房屋建筑樓層凈高大等優(yōu)點(diǎn).在設(shè)計(jì)過程中，首先在建筑的鋼梁上鋪設(shè)一層壓型鋼板，然后再澆筑一層厚度為100～150 mm的混凝土.然后在鋼梁上焊接合適的剪力連接件，確保整個(gè)鋼梁結(jié)構(gòu)能夠與混凝土協(xié)同組合形成可靠度高的樓蓋.但是，這種設(shè)計(jì)方式具有鋼材消耗量大、需要進(jìn)行防火處理的特點(diǎn).因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可以采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土薄板來替代壓型鋼板的方式對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化.另外，在屋蓋體系設(shè)計(jì)過程中，預(yù)應(yīng)力迭合板、圓孔板以及組合扁梁等也是典型的結(jié)構(gòu)形式.

3.2 支撐及剪力墻結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)

對(duì)于高層框架式建筑結(jié)構(gòu)體系，由于其框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較弱，在樓層數(shù)不斷增加的同時(shí)，為了增加建筑的抗震能力、減小樓層之間的錯(cuò)移，經(jīng)常需要在建筑的墻體中設(shè)置垂直支撐體系.另外，為了便于建筑門窗的設(shè)置，所采用的支撐形式應(yīng)該靈活多樣，例如X型、K型、W型、V型以及人型等結(jié)構(gòu)形式.一般多采用偏心支撐的方式，這樣可以確保其在地震載荷的作用下具有良好的延展性及耗能性能.

設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)剪力墻的材料與結(jié)構(gòu)形式的不同，可以將之分為鋼筋混凝土帶縫剪力墻、普通鋼筋混凝土剪力墻以及鋼板剪力墻三種形式.其中，帶縫鋼筋混凝土剪力墻能夠有效的避免普通鋼筋混凝土剪力墻的剛度大，地震過程中易出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致的對(duì)墻體破壞而產(chǎn)生裂縫的問題.而鋼板剪力墻則是將鋼板作為剪力墻結(jié)構(gòu)，通過與鋼框架的配合形成一個(gè)整體的剛性構(gòu)件.

3.3 柱結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)

通常，鋼結(jié)構(gòu)住宅是大開間的形式，其在兩個(gè)方向都要承受較大的彎矩，同時(shí)還要考慮強(qiáng)柱弱梁的要求.當(dāng)前，廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式主要包括焊接H型鋼、I型熱軋鋼截面，其強(qiáng)弱軸慣性矩之比設(shè)置為3～10，必然會(huì)導(dǎo)致材料的浪費(fèi).所以，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于雙向軸壓較大、彎矩接近、梁截面較高的框架柱，可以采用雙軸等強(qiáng)鋼管柱或者是鋼管混凝土柱.其中，方鋼管混凝土柱不但截面的受力合理，同時(shí)能顯著提高框架的側(cè)向剛度，具有良好的防火性能，能夠抵抗結(jié)構(gòu)破壞過程中柱體迅速彎曲造成的破壞.所以，雖然平面受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中選擇H型鋼和I型鋼在受力方面相對(duì)合理，這使得箱形鋼管柱以及方鋼管混凝土柱得到了廣泛的應(yīng)用.

3.4 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)屬于輕鋼結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析之前，應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的基本形式進(jìn)行充分確定.在設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)遇到設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的節(jié)點(diǎn)形式不一致的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)過程中要予以避免.根據(jù)按傳力特性的不同，輕鋼體系的節(jié)點(diǎn)包括剛接，鉸接以及半剛接三種形式.對(duì)于初設(shè)計(jì)者，可以選擇前兩種方式進(jìn)行定量分析，并參考相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法與計(jì)算公式.由于連接形式的不同對(duì)結(jié)構(gòu)的整體效果影響較大，例如部分剛節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩，但是其在受力過程中會(huì)出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)動(dòng)，不能滿足節(jié)點(diǎn)的使用需求.

在具體的設(shè)計(jì)過程中，主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面:

(1)焊接，對(duì)焊接過程中的焊縫尺寸、形式等都有具體的規(guī)范要求.而且焊條的選擇也應(yīng)該與被焊接謹(jǐn)慎材質(zhì)相適應(yīng).通常，E43可以用來焊接Q235，E50可以焊接Q345.而在將Q235與Q345焊接時(shí)，應(yīng)該選擇強(qiáng)度較低的E43.

另外，焊接設(shè)計(jì)過程中不能隨意增加焊縫尺寸，且其重心應(yīng)該盡量與被焊接的構(gòu)件重心相連接.在具體的焊接過程中，可以參考相關(guān)的焊縫構(gòu)造規(guī)范要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì).

(2)栓接，鉚接形式在輕鋼體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中很少使用.其中，普通螺栓抗剪性能較差，一般可以用于次要結(jié)構(gòu)的連接當(dāng)中.而隨著鋼結(jié)構(gòu)對(duì)整體強(qiáng)度要求的提高，高強(qiáng)螺栓得到了廣泛應(yīng)用.一般包括8.8s、10.9s兩個(gè)基本等級(jí).根據(jù)受力特點(diǎn)的不同，可以將之分為摩擦型與承壓型兩個(gè)基本類型.其中，超大規(guī)格的螺栓由于性能不夠穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)使用過程中應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎選擇，可以根據(jù)表1、表2中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì).

表1 高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力 單位:KN

表2 開孔規(guī)定及相關(guān)要求 單位:mm

(3)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮現(xiàn)場焊接、螺栓安裝過程中的施工空間以及各種鋼構(gòu)件的吊裝順序等.設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場之后不能合理安裝時(shí)初設(shè)計(jì)者存在的主要問題.另外，在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)該盡量保證安裝現(xiàn)場能夠方便的進(jìn)行臨時(shí)定位于固定.

(4)建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì).根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)類型不同，其主要包括梁-柱節(jié)點(diǎn)、梁-梁節(jié)點(diǎn)、柱-柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)、柱帽節(jié)點(diǎn)幾種基本形式.設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該盡量通過簡單、穩(wěn)定的工藝保證節(jié)點(diǎn)的安全可靠，盡量減少現(xiàn)場進(jìn)行焊縫連接.由建筑的結(jié)構(gòu)布置分析，在充分考慮建筑的工廠實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)過程中對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)柱，一般采用焊接工字形、箱形截面.因?yàn)楹附拥墓ぷ中谓孛娓拱逑鄬?duì)較薄，所以在弱軸方向與粱相連接的過程中一般采用鉸接的方式進(jìn)行連接，而強(qiáng)軸方向的連接則采用剛接的形式.這主要是因?yàn)殂q節(jié)點(diǎn)施工方便，解雇簡單，但是其使得梁跨中彎矩增加，使得鋼材消耗量增加，經(jīng)濟(jì)性較低;而剛性節(jié)點(diǎn)雖然構(gòu)造較為復(fù)雜，但是其使得跨中彎矩降低，減少了鋼材消耗量，具有較好的經(jīng)濟(jì)性;半剛設(shè)計(jì)由于受力特性較為復(fù)雜，需要通過具體的試驗(yàn)來獲得相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因此其應(yīng)用較少.這些因素在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)該予以考慮.

表3 某住宅小區(qū)不同結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性比較

表3為某住宅小區(qū)工程建設(shè)之前設(shè)計(jì)的兩套不同的建設(shè)方案，后來在方案確定過程中通過對(duì)比分析，得到了兩套方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，兩者的綜合造價(jià)比為1∶1.08最后擬定選擇輕型鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì).

4 結(jié)束語

在結(jié)構(gòu)有限元分析設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展的背景下，充分利用商用有限元軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理分析設(shè)計(jì)是輕鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢，尤其對(duì)于缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的初級(jí)設(shè)計(jì)人員而言，有限元設(shè)計(jì)方式是其克服經(jīng)驗(yàn)不足的主要手段.

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