鋼結構設計及輕型鋼結構應用

劉帥

【摘 要】隨著人類社會的不斷發(fā)展進步，人類對自身的居住環(huán)境要求也越來越高；高品質(zhì)、高效、環(huán)保型的生產(chǎn)、生活場所就應運而生。輕型鋼結構建筑就是得到廣泛認可，并得到迅猛發(fā)展的建筑結構型式之一。本文分析了鋼結構設計及輕型鋼結構應用。

【關鍵詞】鋼結構設計；輕型鋼結構；應用；

近年來，輕型鋼結構在建筑工程中得到了越來越廣泛的應用，例如在高層建筑、大跨度公共建筑中，都有輕型鋼結構設計的身影，它已成為一個城市現(xiàn)代建筑的象征。隨著現(xiàn)代輕型鋼結構設計水平提高，從而形式由單一的框架式發(fā)展到多元化，如肋玻結構形式、鋼桁架結構形式。

一、鋼結構設計

1.鋼結構形式與結構布置。鋼結構在設計之前應該選擇合理的結構體系，合理的建筑結構體系應該是剛柔相濟。鋼結構常用的結構體系有框架、平面（桁）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構形式。在鋼結構設計的整個過程中都應該注重的是概念設計，所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。所以它在結構選型與布置階段就尤其重要。對一些難以做出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的破壞機理、力學關系、試驗現(xiàn)象、震害和工程經(jīng)驗中獲得概念設計的思想，結構的布置及細部措施應該從全局的角度來確定控制。一般地說要剛度均勻，力學模型清晰簡便，層次清楚，條理分明，盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，控制構件的側移變形，保證結構具有足夠的抗彎和抗剪能力，使其結構傳力以最直接簡單的線路傳遞到基礎，柱間的抗側支撐的分布應均勻，其形心要盡量靠近側向力（風震）的作用線，否則應考慮結構的扭轉。結構的抗側應有多道防線，比如有支撐框架結構，柱子至少應能單獨隨1/4的總水平力。

2.判定結構的合理性。要正確使用結構軟件，還應對其輸出結果做正確的判斷。比如評估各向周期、位移、應力、總剪力、變形特征等。不同的軟件會有不同的適用條件和范圍，初學者應充分明了。工程師們不應該過分信任與依賴結構軟件。工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離，為了獲得實用的設計方法，有時會用誤差和較大的假定，但對這種誤差，會通過適用條件、概念及構造的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中，適用條件、概念及構造是比定量計算更重要的內(nèi)容。

3.連接節(jié)點優(yōu)化設計。鋼結構是由鋼板、型鋼通過必要的連接組成構件，各通過一定安裝而形成整體結構，連接部位應有足夠的強度、剛度、延性。所以連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內(nèi)容之一，鋼結構的連接方法可分為焊接、鉚接、普通螺栓連接、高強螺栓連接。在結構分析前，就應該對節(jié)點的形式有充分地思考與確定，應根據(jù)連接節(jié)點的位置及其所要求的強度、剛度合理地確定連接方式及節(jié)點細部構造和計算方法。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免，按傳力特性不同，節(jié)點分剛接、鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者，連接的不同對結構影響甚大。比如，有的剛接節(jié)點雖然隨彎矩沒有問題，但會產(chǎn)生較大轉動，不符合結構分析中的假定，會導致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結果。連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法，初學者可偏安全選用前者。

二、輕型鋼結構應用

1.圍護結構。圍護結構雖然對工程起著非常重要的保障作用，但是其從根本上講，并不屬于影響房屋主體結構的部分。因此，為了減輕多層房屋鋼結構的自重，不給房屋增加額外的承載上的負擔，所以設計人員在輕型房屋剛結構的圍護結構的設計過程中會盡可能的采用輕質(zhì)材料。一般情況下，多層房屋鋼結構的外墻墻體采用的輕質(zhì)填充材料有：空心砌塊、加氣混凝土以及壓型鋼板加輕質(zhì)保溫層組成的復合墻體等，另外，也有很多房屋外墻采用輕質(zhì)美觀的玻璃幕墻結構，但是由于玻璃幕墻的成本較高，并不適用于普通的住宅小區(qū)進行推廣。而輕鋼結構房屋的內(nèi)隔墻為了減重可采用空心砌塊、加氣混凝土等輕質(zhì)填充墻或輕鋼龍骨石膏板，這些材料不僅能夠減重，還可以起到一定的輔助支持作用，但是缺點是隔聲和隔溫效果不好，所以，目前也有一些房屋建筑中采用鋁合金框玻璃作隔斷，但是其局限同玻璃幕墻一樣，并不適用于在住宅建筑中大范圍的推廣和使用。

2.防火和防腐措施。我國的鋼結構的防火主要采用防火涂料、發(fā)泡防火漆和外包防火層三種方法進行。對于房屋中必須外露的鋼結構構件，如樓梯等，大多采用涂料和漆料涂刷的方式進行防火，一般情況下采用10～40mm厚的涂料，其耐火極限可達一點五至三個小時，而如果采用發(fā)泡漆進行防護，其耐火基線時間為一般只有半個小時，所以如無特殊建筑要求，一般推薦采用防火涂料的方式。對房屋建筑中一些不外漏的相對來講隱藏于結構內(nèi)部的構件的防火，采用珍珠巖和蛭石防火噴涂或防火板是最為經(jīng)濟有效的方法，一般情況下30～40mm厚的噴涂可實現(xiàn)一個半小時的耐火極限，與此同時，該噴涂材料還有一定的防腐能力，可以作為一種日常維護。另外，暴露于外的鋼構件的防火一般采用耐腐蝕涂料或油漆防腐進行，通常情況下，要涂刷兩次，因為耐腐蝕涂料由底漆和面漆兩個部分組成，單獨涂刷底漆或者面漆無法達到良好的防腐和防火效果。值得注意的是，目前市面上的普通防腐涂料的有效期一般為十年至二十年左右，所以有關部門要做好備案，以便在材料過期和失效時能夠及時的重新涂刷。鍍鋅壓型鋼板的防火措施，主要以涂刷有機涂料為主，因為其本身具有一定防腐能力，在用于樓蓋時可借助于防火涂料解決防腐問題，所以涂刷涂料主要目的在于增加其耐久年限。

隨著輕型鋼結構應用的日益廣泛，建筑鋼結構專業(yè)人員應該為迅速扭轉當前不利于其發(fā)展的現(xiàn)狀作出更大的努力和貢獻。

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