浅谈轻钢结构的特点及体系

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅谈轻钢结构的特点及体系 摘要 轻钢结构以自重轻、 用钢量少、抗震性能好、设计施工周期 短、可拆迁、可回收等优点，在轻工、 电子、机械加工、仓库、飞机库、大型 超市等建筑中已开始大量应用。本文作 者参加了多个轻钢结构的设计工作，参 阅了大量的相关技术论文和文献，分析 了轻钢结构的若干体系及使用范围，对 门式刚架的节点及柱脚提出了自己的观 点，可供轻钢结构设计者参考。 中国论文网 /2/view-12901747.htm Light steel structure with light weight, less steel consumption, good anti- seismic performance, design and construction cycle short, demolition, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 recyclable and other advantages, in the light industry, electronic, mechanical processing, warehouse, garage, large supermarkets and other building has begun a large number of. In this paper the author participated in a plurality of light steel structure design, a large number of technical papers and literature, analysis of the light steel structure system of the number and scope of application, the portal frame node and foot raised its own point of view, for the light steel structure designers reference. 关键词 轻钢结构门式刚架 体系 特点 中图分类号：TU391 文献标识码： A 文章编号： 1 概述 20 世纪 80 年代以前，我国的轻 型钢结构主要是指由圆钢、小角钢和冷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 弯薄壁型钢组成的结构。80 年代以来， 建筑钢结构在冶金工厂开始大量使用。 随着我国改革开放政策的实施和产业结 构的调整，自 1997 年以来，我国每年 开的钢产量已连续超过 1 亿吨，由于国 家产业政策扶持建筑用钢，因此，民用 建筑钢结构得以发展，而轻钢结构作为 一种新型结构被广泛使用，特别是以变 截面门式刚架和彩色压型钢板为标志的 新型钢结构体系的出现，轻钢结构的概 念亦发生了根本性的改变。现代轻钢结 构是指以冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高 频焊接 H 型钢、轻型热轧 H 型钢、薄 钢管、焊接薄钢板变截面梁、柱等构成 的结构。 2 轻钢结构的特点 目前，轻钢结构在轻工、电子、 机械加工、仓库、飞机库、大型超市等 建筑中已大量应用，民用多层住宅及别 墅已开始使用，前景诱人。由于轻钢结 构用钢量低、设计与施工周期短、结构 跨度大、建筑造型新颖、抗震性能优良、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 可工厂化生产、综合经济效益高，因而 得到了用户的欢迎，市场需求量越来越 大。 2.1 用钢量低、自重轻 自重轻是钢结构的一大优点，而 轻钢结构由于大量采用轻型 H 型钢、冷 弯薄壁型钢、焊接楔形截面，截面形状 更趋合理，在减轻结构自重的同时，最 大限度地发挥了材料性能。据统计，轻 钢结构厂房的用钢量，无吊车厂房（含 3t 以下悬挂吊车）约为 2040kg/m2， 起重量不大于 20t 的轻、中级工作制桥 式吊车厂房的用钢量约为 4065kg/m2。目前，国内承重结构使 用的钢材主要是 Q345，围护结构使用 的钢材是 Q235，均属于低强度钢材， 而国外多采用高强度钢材，这是我们与 国外轻钢结构之间在材料上的差距。随 着我国高强钢材成品的不断发展，轻钢 结构的用钢量将会进一步降低。 2.2 设计与施工周期短 由于轻钢结构体系简单，材料规 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 格少，设计有程序可用，因而设计周期 较短。而轻钢结构构件均可在工厂加工 制作，施工现场仅进行构件安装，因此， 施工周期短。随着轻钢结构的进一步发 展，门式刚架、住宅结构等均可进行标 准化定型设计，工厂制作，建设速度可 明显加快。 2.3 抗震性能好 钢结构自重轻，材料强度高，塑 性和韧性好，因而能有效的降低地震力， 有利于抗震，适合在地震区建筑。 2.4 建筑布置灵活，可满足不同 功能要求 轻钢结构适宜大跨度、大空间结 构，柱距布置灵活，便于工艺布置，可 满足不同的工艺要求。轻钢结构住宅柱 距大，开间大，能满足不同住户对住宅 的多功能要求，而且易于布置跃层和错 层体系。房屋内墙为非承重墙，用户可 根据需要随意分隔。 2.5 建筑可拆卸搬迁、废钢可回 收利用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 轻钢结构建筑，构件之间多采用 螺栓连接，拆装容易，可根据用户要求 搬迁。建筑使用寿命到期，拆除的废钢 可以回收炼钢，减少垃圾，保护环境。 3 轻钢结构体系及适用范围 3.1 圆钢、小角钢体系 圆钢、小角钢（小于 L45x4 或 L56x36x4）组成的轻型钢结构，适用于 跨度不超过 18m、起重量不大于 5t 的 轻、中级工作制桥式吊车的房屋中，主 要用于小型厂房、仓库的屋盖系统。主 要构件为屋架、平面桁架式檩条、格构 刚架。目前已很少采用。 3.2 门式刚架结构体系 门式刚架轻钢结构，是目前使用 最广泛的结构形式之一，主要用于轻型 围护结构的无桥式吊车或仅有起重量不 大于 20t（刚架间距 6m 时不大于 30t） 的轻、中级工作制桥式吊车或 3t 悬挂式 起重机的单跨或多跨单层房屋钢结构。 门式刚架属平面结构体系，结构 受力明确，设计理论清楚，经济跨度一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 般为 1840m，柱距 69m，檐口高度 一般为 4.59m，不超过 18m。多跨门 式刚架的中间柱一般采用铰接的摇摆柱。 单跨跨度可达 72m，从抗震和防火等综 合因素考虑，门式刚架的跨度不宜大于 50m。 门式刚架一般采用薄钢板焊接的 变截面刚架，由于变截面构件有可能在 几个截面同时或接近出现塑性铰，故不 宜利用塑性铰出现后的应力重分布。同 时，变截面门式刚架构件的腹板一般均 较薄，截面发展塑性的潜力不大，因此， 变截面门式刚架应采用弹性分析方法确 定各种内力。跨度较小时，也可采用等 截面刚架，等截面刚架允许采用塑性分 析方法，按现行钢结构设计规范的 规定进行计算。比较节省钢材的方法是 采用高而薄的腹板，按有效截面概念设 计，利用腹板屈曲后强度。 关于门式刚架柱与斜梁的连接节 点，笔者根据实际工程经验，建议采用 柱顶预留接头，现场焊接的连接方法。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 该节点传力可靠，刚架外形美观，通过 多个工程使用实践，效果良好。 关于门式刚架的刚接柱脚，建议 采用插入式柱脚。插入式柱脚构造简单， 传力直接、安全可靠，经实际工程比较， 插入式柱脚比带靴梁的刚接柱脚用钢量 少。 屋面檩条和墙梁采用冷弯薄壁 C 型钢和 Z 型钢，檩距一般为 1.02.5m，可采用简支和连续檩条，檩 条设计时，需考虑风吸力作用下的稳定 计算。 关于计算围护结构风荷载时的阵 风系数，笔者认为，值得探讨。在建 筑结构荷载规范 （GB50009-2001）颁 布之前，我公司设计了许多工程，其围 护结构均未考虑阵风系数，最早的工程 在 80 年之前，至今未发现问题。从国 外的檩条选用表看，也未考虑阵风系数。 考虑阵风系数的结果，不仅是钢材用量 增加，对于跨度为 9m 的墙架檩条，现 有轻钢檩条规格已很难满足要求。邵卓 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 民、蔡益燕、王学东、胡天兵在建筑 钢结构进展 （2000 No.2）中发表的 门式刚架轻型房屋钢结构的风荷载分 析说明， “因 规程给出的风荷载体 形系数中已包含了阵风的影响，故不需 要另考虑阵风系数” 。因此，笔者认为， 在计算围护结构风荷载时，可不考虑阵 风系数。 3.3 多层轻钢结构体系 常用的多层轻钢结构体系有：框 架结构体系、框架支撑体系、钢框架 混凝土剪力墙体系、框架核心筒体 系、交错桁架体系、轻钢龙骨结构体系、 夹心板组合房屋体系。 3.3.1 框架结构体系 框架结构体系适用于 12 及 12 层 以下的居住建筑、高度不大于 24m 的公 共建筑和工业厂房建筑。该体系在纵、 横两个方向均为多层刚接框架结构，使 用空间较大，但其抗侧移刚度较弱。框 架梁、柱一般采用热轧或焊接 H 型钢截 面。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 3.3.2 框架支撑体系 随着建筑物高度的增加，水平荷 载作用加大，抵抗侧力作用成为主要问 题。针对框架体系抗侧移刚度差的缺点， 该体系在纵、横两个方向设置柱间支撑， 增加抗侧力刚度。水平荷载主要由支撑 承担，竖向荷载主要由框架柱承担，柱 截面可以减小。框架梁一般采用热轧或 焊接 H 型钢截面，框架柱则常用 H 型 钢、钢管混凝土或钢管柱，支撑可采用 钢管、热轧轻型 H 型钢。 3.3.3 钢框架混凝土剪力墙体 系 在楼梯间或在建筑物适当部位设 置现浇钢筋混凝土剪力墙，作为主要抗 侧力构件，竖向荷载由钢框架部分承担。 由于钢筋混凝土剪力墙抗侧移刚度强， 因此可以减小钢柱的截面尺寸，降低用 钢量。 3.3.4 框架核心筒体系 利用楼梯间、卫生间组成现浇钢 筋混凝土核心筒，以核心筒作为主要抗 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 侧力构件，承担水平荷载，以钢框架承 担竖向荷载。框架梁一般采用热轧或焊 接 H 型钢截面，框架柱可采用热轧 H 型钢，也可采用钢管混凝土结构。 3.3.5 交错桁架体系 该体系仅在建筑物外围设置钢柱， 在建筑物相邻轴线上，分上、下层交错 设置通长钢桁架，桁架高度为楼层高度， 跨度为建筑物宽度，桁架两端支承在建 筑物外围的钢柱上。楼板一端支承在下 层桁架的上弦杆，另一端支承在上层桁 架的下弦杆。由于桁架在相邻轴线上隔 层布置，因此，每层楼面在两个相邻桁 架间可获得较大的空间。柱采用 H 型钢、 钢管或钢管混凝土，桁架上下弦杆可采 用热轧 H 型钢或 T 型钢。 3.3.6 轻钢龙骨结构体系 轻钢龙骨结构体系分为冷弯薄 壁 C 型钢和热轧型钢龙骨结构体系。 冷弯薄壁 C 型钢龙骨结构体系由 柱子、梁、地龙骨、天龙骨、腰支撑和 斜支撑构成，柱子、梁、地龙骨、天龙 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 骨均采用冷弯薄壁 C 型钢，构件之间用 自攻螺栓连接。该体系适用于 4 层以下 的建筑。 热轧型钢龙骨体系是由间距在 1.22.0m 的轧制矩形钢管或轻型 H 型 钢柱和与柱铰接的轻型 H 型钢梁构成的 框架，设置一定数量的支撑组成。 3.4 夹心板组合房屋体系 将工厂预制的由承重构件和围护 结构组成的楼板、墙板、等板单元，在 现场拼装而成。适用于低层或单层房屋， 单层房屋的檐口高度一般不大于 5m， 开间不大于 6m，跨度不大于 9m。 3.5 冷弯薄壁型钢体系 冷弯薄壁型钢由 1.54.0mm 钢 板经冷弯或冷压成型，主要形式为角钢、 槽钢、C 型钢、Z 型钢、方钢管、焊接 薄壁钢管。 冷弯薄壁型钢结构体系的刚架梁、 柱一般采用由 C 型钢组成的格构式结构。 屋面檩条和墙梁采用冷弯薄壁 C 型钢和 Z 型钢。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 3.6 金属拱形波纹屋盖结构体系 金属拱形波纹屋盖结构是一种新 型的拱壳结构，是用彩色钢板经现场滚 压成型的屋盖结构体系，使用跨度一般 不超过 42m，应按空间壳体进行分析。 该结构的主要特点是：建筑空间大、屋 面与承重结构合为一体、结构自重轻、 施工方便。 金属波纹拱形屋盖因成型需要， 肋板和壳板上均压有细小的横向波纹， 拱形槽板的曲率大小就是通过板上横向 小波纹的深浅来调整的。这相当于把直 槽板压成了折板。在建筑结构中，折板 一般是利用其强轴方向来承载，但波纹 拱壳屋盖结构却恰恰相反，拱形结构的 一个重要特点就是沿拱轴方向上有很大 的轴力和部分弯矩，而折板的弱轴方向 恰恰落在这个方向上。波纹拱壳屋盖主 要是以折板的弱轴方向来承受轴力和弯 矩，这在受力机理上是不合理的。因此， 无波纹薄壁拱壳屋盖就被提出来了。 3.6 拱形轻钢结构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 拱形轻钢结构为落地式结构，适 用于跨度大于 24m，基础牢固的一些仓 库或公共建筑。这种结构形式简便，无 柱无墙，设计简单，施工方便。 4 轻钢结构的楼面板 轻钢结构的楼面结构除了要具有 足够的强度和竖向刚度外，尚应保证楼 面有足够的平面刚度，保证建筑物的空 间整体性能和水平力的有效传递，并能 保证梁的整体稳定性。常用的楼面结构 有：压型钢板现浇混凝土组合楼板、 现浇钢筋混凝土楼板、预制预应力薄板 叠合现浇楼板、钢骨架轻质保温隔声复 合楼板、轻骨料或加气混凝土楼板。 4.1 压型钢板现浇混凝土组合 楼板 在钢梁上铺设压型钢板，再现浇 100150mm 厚钢筋混凝土板。压型钢 板作为模板使用。当钢梁上铺设楼承板 时，楼承板既作为模板，又作为现浇混 凝土的底部钢筋。混凝土板与钢梁之间 一般用栓钉连接。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 4.2 现浇钢筋混凝土楼板 按常规支模，现浇钢筋混凝土， 达到强度后拆模，施工周期长。 4.3 预制预应力薄板叠合现浇楼 板 在钢梁上铺设预应力钢筋混凝土 薄板，再现浇 100150mm 厚钢筋混凝 土板。与压型钢板组合楼板相比，节约 钢材，造价低，但整体性比现浇混凝土 板差。 4.4 钢骨架轻质保温隔声复合楼 板 工厂化生产，具有承载力大、轻 质、保温、隔声、防火等优点。 4.5 轻骨料或加气混凝土楼板 轻骨料混凝土具有轻质、保温和 耐火等优点，可减轻结构自重。 5 围护结构 轻钢结构的外围护结构一般采用 夹心板、彩色压型钢板、太空板、轻混 凝土板。 内隔墙可采用空心砌块、轻钢龙 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 骨石膏板、水泥刨花板、轻混凝土板。 屋盖多采用冷弯薄壁型钢檩条、 彩色压型钢板或夹心板结构。 6 柱脚型式 无桥式吊车的门式刚架及单层住 宅，柱脚采用铰接连接，采用平板支座， 设一对或两对地脚螺栓。建议柱脚底板 下设抗剪键，以传递柱脚水平力。 多层住宅及有桥式吊车的门式刚 架结构，柱脚采用刚性连接，可采用规 范中带靴梁的刚接柱脚。笔者推荐使用 插入式柱脚，因插入式柱脚构造简单， 传力直接、可靠，经实际工程比较用钢 量比带靴梁的刚接柱脚少。 7 结束语 以门式刚架为代表的轻钢结构在 轻工、电子、机械加工、仓库、飞机库、 大型超市中已开始大量使用，多层住宅 轻钢结构也正在成为住宅建筑的热点。 笔者曾参加了多个轻钢结构的设计工作， 其中有冶金厂房、有机械加工车间、有 造纸车间等，亲身体会到轻钢结构给设 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 计者带来的方便，给投资者带来的效益。 可以预见，有国家政策的扶持，有强大 的钢产量做后盾，综合效益优良的轻钢 结构必将成为今后发展的热门产业。 参 考 文 献 1 门式刚架轻型房屋钢结构技 术规程中国