輕鋼結(jié)構(gòu)特性和在房屋工程中的應(yīng)用

李峰　鄭鈞

摘要：由于輕鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，特別是其穩(wěn)定性好、抗震能力強(qiáng)的優(yōu)勢已經(jīng)得到國內(nèi)外建筑界的認(rèn)可和推廣。本文首先分析了輕鋼結(jié)構(gòu)及其特性，然后詳細(xì)闡述了輕鋼結(jié)構(gòu)特性和在房屋工程中的設(shè)計要點(diǎn)，最后通過應(yīng)用案例進(jìn)一步探討了其設(shè)計要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；房屋工程；節(jié)點(diǎn)；屋蓋；鋼架柱

一、輕鋼結(jié)構(gòu)及其特性

（一）輕鋼結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑是以冷彎型鋼、熱軋或焊接H型鋼、T型鋼、焊接或無縫鋼管及其組合構(gòu)件作為建筑承重骨架，以輕型墻體材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。輕鋼結(jié)構(gòu)有著抗震性強(qiáng)、自重輕、施工周期短、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，其鋼屋架、梁和立柱的質(zhì)量只有同等大小木結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3、鋼筋混凝土構(gòu)件的1/2，強(qiáng)度卻是混凝土構(gòu)件的8倍。當(dāng)受到地震的作用力時，相同外部環(huán)境下，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑受到的破壞遠(yuǎn)小于砌體結(jié)構(gòu)建筑和混凝土結(jié)構(gòu)建筑受到的破壞。使用輕鋼構(gòu)件不僅可減少材料，節(jié)約成本，更能提高建筑的穩(wěn)定性。目前輕鋼構(gòu)件已經(jīng)在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家得到了廣泛應(yīng)用，在我國工業(yè)和民用建筑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（二）特性

1、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

抗側(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)

樓面和屋蓋都須有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，同時應(yīng)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，分別為：高密度木纖維水泥板；滿鋪壓型鋼板再澆筑20mm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。

二、輕鋼結(jié)構(gòu)在房屋建筑工程中的設(shè)計要點(diǎn)

（一）鋼架柱與梁

輕鋼結(jié)構(gòu)鋼架柱和梁的設(shè)計主要應(yīng)進(jìn)行梁柱板件的寬厚比限值計算、梁柱構(gòu)件的強(qiáng)度計算、梁腹板加勁肋的配置、鋼架柱整體穩(wěn)定計算等。鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開間，鋼架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時應(yīng)該考慮強(qiáng)柱弱梁的要求。

（二）屋面板樓蓋設(shè)計

在多層輕鋼房屋中，樓板須有足夠的承載力、剛度和整體性，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)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100～150mm的鋼筋混凝土板，壓型鋼板與鋼梁之間用栓釘連接。

（三）節(jié)點(diǎn)設(shè)計

框架梁柱節(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)件端部焊一塊端板（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），再用高強(qiáng)度螺栓互相連接。

（四）抗震設(shè)計

1、樓蓋抗震結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)樓面體系主要是由樓面機(jī)構(gòu)板、支撐、連接件、托梁以及加勁件幾個部分組成。通常采用纖維水泥壓力板、紙面石膏板、OSB板和ALC板作為樓面結(jié)構(gòu)板的材料，結(jié)構(gòu)板的厚度應(yīng)大于15mm。為加強(qiáng)樓面腹板各部分的穩(wěn)定性，宜在樓面梁集中處設(shè)置樓面腹板承壓加勁件，樓面板最好不要超過外墻1.2m。若輕鋼結(jié)構(gòu)樓蓋伸出且上部加載承重墻時，懸臂輕鋼段長度不能夠超過跨度的1/3。

輕鋼結(jié)構(gòu)樓蓋系統(tǒng)中的主要受力部分是樓面梁，它需要滿足設(shè)計中所要求的剛度和強(qiáng)度。樓面梁受拉部分長細(xì)比不能超過350，托梁間距在400mm-600mm最佳。當(dāng)樓面連續(xù)梁跨度較大時，應(yīng)在中間位置設(shè)置支撐，支撐方向與支座方向一致，要求間距小于3m，懸挑梁應(yīng)在支撐處設(shè)置支撐件。樓蓋體系所有構(gòu)件之間應(yīng)采用螺栓進(jìn)行連接，且各部分之間連接應(yīng)分別滿足相應(yīng)要求。

2、墻體抗震結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)的墻體主要由頂部、墻體結(jié)構(gòu)面板、立柱和底部導(dǎo)梁構(gòu)成，此外，若輕鋼結(jié)構(gòu)作為承重墻或抗震墻，還應(yīng)該增加支撐、撐桿和拉條。墻體是輕鋼結(jié)構(gòu)的核心部件，它兼具承豎向荷載、抗剪、抗水平荷載、圍護(hù)的作用。按照受力功能可將輕鋼結(jié)構(gòu)分為三種：剪力墻、承重墻和非承重墻。承重墻主要承擔(dān)豎向荷載，剪力墻承擔(dān)水平荷載如水平地震力以及風(fēng)力。

輕鋼結(jié)構(gòu)的受拉立柱長細(xì)比不超過200。在剪力墻及承重墻的立面和剖面設(shè)計上，單層墻體高度應(yīng)小于3.3m，且要保證上下層墻體處于同一垂直面，若有錯位，也應(yīng)將錯位距離控制在2mm以內(nèi)。剪力墻體連接時應(yīng)在墻體端部、洞口兩側(cè)和拼裝處使用抗拔連接件，剪力墻和基礎(chǔ)連接處不僅要使用抗拔連接件，還需設(shè)置適量的地腳螺栓，地腳螺栓的直徑、布置間距和埋入深度都應(yīng)符合相關(guān)要求。輕鋼結(jié)構(gòu)的門窗要通過角鋼和螺釘?shù)冗B接件連接到主柱上。若剪力墻或承重墻墻體未連接立柱，則應(yīng)在未連接的那一端設(shè)置鋼帶或撐桿。

3、屋蓋抗震結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)的屋蓋體系中包括屋架、面板、支撐、檁條和屋面覆蓋材料。屋面材料最好選擇高強(qiáng)耐用、輕質(zhì)美觀的壓型鋼板。輕鋼結(jié)構(gòu)中，通常采用有檁屋架的三角形或三鉸拱形式。若采用鋼帶拉條支撐屋架時，支撐與其它所有屋架的交點(diǎn)處需用螺釘連接。屋架下弦宜設(shè)置縱向支撐桿或鋪設(shè)結(jié)構(gòu)板，腹桿處宜設(shè)置縱向支撐或交叉支撐，應(yīng)在屋架上弦桿下翼緣及下弦桿上翼緣設(shè)置水平支撐，支撐鋼厚度大于0.84mm。若采用鋼帶支撐，則支撐截面應(yīng)大于40mm*0.84mm，間距小于1.2mm。

4、開洞要求

開孔位置只允許在梁柱腹板的中心線上，而不允許在梁柱翼緣板及卷邊開孔，孔口應(yīng)采用厚度大于腹板厚度的鋼板或槽型鋼進(jìn)行加強(qiáng)。墻體轉(zhuǎn)角處的低層輕鋼不宜開孔，墻體門窗洞口處應(yīng)設(shè)置梁和立柱。為滿足鋪設(shè)管線的要求，需在樓面板開洞，洞的寬度要求小于2.4m，洞孔下部設(shè)置桁架或箱型梁以加強(qiáng)樓面板。若樓面板開多個洞孔，開孔中心間距應(yīng)大于600mm，直徑小于腹板厚度的一半，洞孔邊緣到最近端部支撐構(gòu)件凈距離大于300mm。

三、應(yīng)用案例分析

（一）輕鋼結(jié)構(gòu)在民用住宅中的應(yīng)用

目前輕鋼結(jié)構(gòu)用于民宅的還不多，主要是在新型房屋中，不過由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該在民用住宅領(lǐng)域得到大力的推廣。

（二）輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用

某采用輕鋼結(jié)構(gòu)的典型廠房，雙20m跨，雙坡屋面，雙跨各設(shè)10t和20t吊車，軌頂處高8m，地處7度地震區(qū)。

該設(shè)計在廠房中應(yīng)用較普遍，但有一些問題應(yīng)該引起重視。其屋蓋橫向水平支撐設(shè)在端部第一跨，而柱間支撐則設(shè)在端部第二跨，與“在設(shè)置支撐的開間，宜同時設(shè)置屋蓋橫向水平支撐，以組成幾何不變體系”的原則不符，不能很好地起到作用。

同時這一廠房屋面坡度較大，中柱上柱高（牛腿標(biāo)高以上）比邊柱高出1.2m，而中柱和邊柱使用同一尺寸的上柱柱間支撐，使得上柱支撐傳來的縱向力不能直接傳到下柱支撐，直至基礎(chǔ)頂面，使柱子中部承受上柱柱間支撐傳來的水平分力，會造成一定的結(jié)構(gòu)隱患。

結(jié)語

綜上，輕鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的技術(shù)，在我國當(dāng)前的社會環(huán)境下有很大的發(fā)展前景。同時我們也要針對具體的工程項(xiàng)目，設(shè)計中要注意充分發(fā)揮輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)。

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