分析工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中輕鋼和重鋼的差異

譚高銘

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北省武漢市 430223）

0 引言

隨著我國(guó)建筑事業(yè)不斷發(fā)展，當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)建筑在工業(yè)廠房中的應(yīng)用愈加廣泛。輕鋼、重鋼是鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，但二者區(qū)分并非是字面意義，如輕鋼并不是指質(zhì)量較輕的鋼材，因此不能以輕重作為劃分。輕鋼、重鋼目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是通過施工單位重量、起吊重量區(qū)分輕鋼和重鋼。對(duì)于工業(yè)建筑設(shè)計(jì)來說，輕鋼、重鋼都是不可或缺的材料，科學(xué)的輕鋼、重鋼組合才能夠確保工業(yè)建筑整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕鋼和重鋼的差異

1.1 輕鋼

按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，輕鋼是指：①承重結(jié)構(gòu)為單跨、多跨實(shí)腹門式剛架；②輕型外墻或屋蓋；③無橋式吊車、起重量不高于20t的A1-A5工業(yè)級(jí)橋式吊車、3T懸掛式起重機(jī)。這里所指的單梁吊車并無限制，這是由于單梁吊車起重額定最大值通常不會(huì)超過5t，但配合使用進(jìn)口電動(dòng)葫蘆的吊車起吊額度可以達(dá)到10t（如LD型吊車），所以在單梁吊方面并沒有明確限制。在工業(yè)建筑表現(xiàn)上，主要是輕型屋蓋、輕型外墻等，如規(guī)定當(dāng)中提出不同抗震區(qū)域不通外墻的單層實(shí)腹門式鋼架結(jié)構(gòu)都是輕型鋼結(jié)構(gòu)。所謂的輕型鋼結(jié)構(gòu)是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)單位的重量，通常采用輕型材料，構(gòu)件截面厚度為6～12mm，多數(shù)是H形變截面結(jié)構(gòu)。結(jié)合以上內(nèi)容來看，輕鋼主要是指滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)腹門式鋼架結(jié)構(gòu)。除了上述門式剛架結(jié)構(gòu)外，根據(jù)受力構(gòu)建截面構(gòu)成劃分，以下結(jié)構(gòu)也應(yīng)該屬于輕鋼的范疇：①冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)；②方管、圓管等組成的結(jié)構(gòu)；③以上各個(gè)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。

我們也可以根據(jù)一些參考數(shù)值判定是否為輕鋼。如：①最大跨度不大于36m；②含鋼量的限值為45～50kg/m2；③圓形、H型等構(gòu)件截面形式；④鋼板厚度不超過12mm；⑤結(jié)構(gòu)形式為門式剛架或類似結(jié)構(gòu)；⑥廠房檐高不超過12m；⑦結(jié)構(gòu)開間不超過9m。這些數(shù)據(jù)也可以判定是否為輕鋼（結(jié)構(gòu)）[1]。

1.2 重鋼

我國(guó)以往的技術(shù)文件、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中并沒有提出明確的“重鋼”概念，主要是為了輕鋼和輕鋼結(jié)構(gòu)而衍生出的重鋼概念。重鋼更多是應(yīng)用在大型廠房中，如冶金廠房、發(fā)電廠房、大型加工廠房等。由此可見，重鋼是輕鋼結(jié)構(gòu)概念提出之后所衍生的概念，所以叫“普鋼”更為合適。普通鋼結(jié)構(gòu)涵蓋范圍非常廣，多種鋼結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)荷載，甚至是輕鋼相關(guān)內(nèi)容，都在鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范領(lǐng)域中。相比輕鋼，重鋼（結(jié)構(gòu)）的特點(diǎn)有：①?gòu)S房行車起吊重量不低于20t，且起吊數(shù)量不低于2臺(tái)；②單位鋼材用量為50kg/m2以上；③構(gòu)件鋼板厚度大于12mm，構(gòu)件截面是型鋼組合結(jié)構(gòu)；④廠房檐高在12m以上；⑤結(jié)構(gòu)開間在9m以上[2]。

1.3 其他

當(dāng)然，鋼結(jié)構(gòu)體系中不僅只包含重鋼和輕鋼。如大跨度的展覽中心、體育館、高層鋼結(jié)構(gòu)，雖然這些建筑跨度大、含量量大，但是展覽中心、體育館主要是空間結(jié)構(gòu)，高層建筑為框架剪力墻，與重鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，所以對(duì)于非工業(yè)類建筑最好是以鋼結(jié)構(gòu)類型區(qū)分為好。

2 輕鋼和重鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)形式

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房更多是采用輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如較為常用的高頻焊接輕型H鋼；維護(hù)結(jié)構(gòu)多數(shù)是采用輕質(zhì)壓型鋼板、夾芯板等。普通廠房涵蓋范圍更廣，并且不僅僅采用輕鋼，還包括多層高層鋼框架、框支結(jié)構(gòu)等。工業(yè)廠房常使用的型鋼主要是熱軋型鋼，維護(hù)結(jié)構(gòu)主要是砌體，和混凝土結(jié)構(gòu)組合成鋼混結(jié)構(gòu)，如鋼混樓面、混凝土包鋼柱、底層混凝土結(jié)構(gòu)上架立鋼結(jié)構(gòu)等等。屋架是鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題，特別是單層鋼結(jié)構(gòu)廠房中，屋架設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，而多層建筑屋架重要性則有所減少。具體依據(jù)可以在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中了解。而對(duì)于工業(yè)廠房柱頂位移、柱高度取值要結(jié)合《門式剛架結(jié)構(gòu)輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》確定。

2.2 設(shè)計(jì)分析

如某鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房寬度為30m、總面積為2000m2，設(shè)計(jì)全部采用鋼板焊接成型，劃分為四段施工，如果采用輕型H截面構(gòu)件作為屋面梁，則要分為五個(gè)施工段，使用錨栓連接成一個(gè)整體。鋼板焊接成型板材通常厚度為5cm，板材兩側(cè)是薄鋼板、中間是泡沫板材，具有良好的隔熱隔音特性，并且容易嵌套、運(yùn)載輕便，在工業(yè)廠房中很常見，同時(shí)所設(shè)計(jì)的工業(yè)廠房不僅施工便捷，而且美觀性好。如清潔車間設(shè)計(jì)可以選擇這種板材。

此外，在該工程廠房設(shè)計(jì)中，使用了PKPM作為門式鋼架廠房建模，采用等截面焊接H型鋼作為柱、變截面焊接H型鋼為梁。前期所設(shè)計(jì)的梁結(jié)構(gòu)為兩端截面小、中間截面大，所以通過設(shè)計(jì)軟件得出設(shè)計(jì)參數(shù)之后，且沒有達(dá)到超限標(biāo)準(zhǔn)下，必須要嚴(yán)格控制變截面梁兩端面積，兩端面積大、中間面積小，使用相同的變截面型鋼制作成兩端大、中間小型鋼時(shí)，必須要保證柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、整體強(qiáng)度。因此，還可以采用兩端小、中間大的變截面計(jì)算，必要時(shí)要更換截面。本工業(yè)廠房柱規(guī)格為400×300×10×20mm焊接H型鋼，梁為800×300×10×18mm焊接H型鋼，設(shè)計(jì)風(fēng)壓為0.8MPa、跨度長(zhǎng)為30cm、柱體高5.5m，采用5t輕型吊車、屋面坡度為1：10[3]。該設(shè)計(jì)方案可以有效提高鋼框架設(shè)計(jì)的安全性、穩(wěn)定性，也可以降低鋼材使用量，降低施工成本。

此外，在設(shè)計(jì)當(dāng)中需要先確定屋面梁高度，通常為跨度的10%～15%，大跨度梁由于需要承載較高的重量，所以必須要采用輕鋼，降低屋面荷載，在連接處為了保持穩(wěn)定性采用重鋼，可以滿足坡垂直荷載與風(fēng)載要求，合理控制鋼材用量，實(shí)現(xiàn)輕鋼和重鋼的靈活搭配。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也有重鋼、輕鋼選擇，節(jié)點(diǎn)主要是用作承載鋼結(jié)構(gòu)重量，而輕鋼由于厚度較薄，其承載性較低，如果節(jié)點(diǎn)承載量過大，可能會(huì)造成節(jié)點(diǎn)部位變形。因此，對(duì)于高負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)部位，建議選擇重鋼作為節(jié)點(diǎn)，起到支撐加固作用；低負(fù)荷節(jié)點(diǎn)部位可以選擇輕鋼，也可以選擇重鋼，以輕鋼為主。這樣節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)更加靈活，該設(shè)計(jì)方案不僅節(jié)省鋼材，還可以保證工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)當(dāng)中，先焊接梁下翼，保持翼緣對(duì)稱焊接。下翼緣焊接完畢后再焊接上翼緣，翼緣厚度超過30mm時(shí)，采用上下翼緣輪流焊接。柱耳板焊接時(shí)，要對(duì)稱焊接到板厚1/3處切除耳板，每?jī)蓪雍附右獙⒔宇^錯(cuò)開（每層都要錯(cuò)開焊接），并檢查層間溫度，控制在120℃～150℃之間。

3 結(jié)束語

綜上所述，重鋼是輕鋼概念提出之后所衍生的一種鋼材種類，也是輕鋼區(qū)別于“普鋼”的一種方法，但二者之間并沒有明顯差異。如果考慮鋼結(jié)構(gòu)廠房穩(wěn)定性、風(fēng)載性，就必須要增加一定量的自重，增加鋼材使用密度，此時(shí)結(jié)構(gòu)用料就是重鋼結(jié)構(gòu)，但從整體設(shè)計(jì)上來看，絕大部分廠房只是局部用重鋼結(jié)構(gòu)，整體上依然是輕鋼結(jié)構(gòu)，所以說輕鋼結(jié)構(gòu)廠房中也會(huì)應(yīng)用重鋼，二者多數(shù)都是組合應(yīng)用。