浅谈轻钢结构的设计与发展

梁 栋

轻钢结构作为钢结构技术的一种,是近年来在我国发展起来的新型结构,以其众多优点在我国受到越来越多行业的青睐,当前形势下,轻钢结构的设计与未来发展就显得尤为重要。

所谓轻钢结构,即轻型钢结构建筑体系,一般是结构荷载较小,结构杆件也较小,构件壁厚较薄的一类结构。轻钢结构是以热轧轻型H型钢、轻型焊接型钢、高频焊接型钢、冷弯薄壁型钢、薄钢板和薄壁钢管等高效能结构钢材和高效功能材料为主,以各类高效装饰连接材料为辅组装而成,能满足建筑特定使用功能和特定空间需求的轻型全装配钢结构建筑。近30年来轻钢结构在欧美国家逐步发展起来,已经形成了一整套十分成熟的技术,典型的北美钢结构住宅就是一种轻型钢骨结构体系。

1 轻钢结构的优点

1)结构自重轻,抗震性能好:大幅减少基础造价,尤其适用于地质条件较差的地区;钢结构属于柔性结构,自重轻,结构地震反应小,用于结构抗震措施的费用少,适用于地震多发区。2)施工周期短:轻钢结构的所有构件均可以由工厂标准化生产,质量稳定,现场拼装,全部干作业施工,不受环境季节影响,对一般规模较小的工业厂房仅需45 d～60 d,而若采用钢筋混凝土建筑则要8个月～12个月左右。3)综合经济效益好:由于施工周期短,可以提前投入使用,提前获取投资效益;因为钢结构建筑的自重轻,一般情况下不需要做桩基,可以节省投资。根据目前我国的市场价格,轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构,当跨度越大时,其优势更为明显。4)环保性好:无噪声、无污染。建筑材料可拆卸,并100%回收,符合国家土地资源政策、环保政策和可持续发展战略,是环保型建筑的典范。5)舒适性更好:采用新型轻质围护材料,不霉变,不助燃,不虫蛀;装修一次到位,少维修;轻钢墙体采用高效节能体系,具有呼吸功能,可调节室内空气干湿度。

2 轻钢结构的构造特点

1)抗侧力结构系统。抗侧力结构系统可分为纯钢框架体系、框架—支撑体系、钢框架—混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。对于轻钢结构体系的选择,可根据建筑平面设计的要求灵活处理,综合使用不同的抗侧力体系。2)楼面屋盖系统。楼面和屋盖都必须有足够的强度、刚度和稳定性,同时应当尽量减小楼板厚度,增加室内净高。压型钢板—混凝土组合楼盖是目前应用较为广泛的形式。其楼盖由C形轻钢格栅与铺于格栅上的薄板组成。楼面有三种做法:高密度木纤维水泥板;满铺压型钢板再浇筑20 mm的陶粒轻骨料混凝土;满铺定向木纤维板或高密度层压胶合板。3)墙体结构。目前,墙体主要分为自承重式和非自承重式。自承重墙体主要包括用于外墙的加气混凝土块、轻钢龙骨加强板、太空板等,以及用于内墙的石膏板、轻钢混凝土板、水泥刨花板、稻草板等。外挂的非自承重式墙体材料主要有彩色压型钢板、彩色压型钢夹芯板、玻璃纤维增强外墙板等。结构的承重墙一般为内横墙。为提高墙柱的稳定性,一般墙柱高度范围内设三道轻钢拉条。采用非自承重式墙体材料,需设置墙梁用以悬挂外围护结构。门窗洞口上下要布置。墙梁多采用C形或Z形冷弯薄壁型钢,尺寸取决于跨度(刚架间距)和墙距(板跨)。4)建筑保温节能技术。为确保建筑物达到保温效果,一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外,在墙外侧再贴一层保温材料,有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间格栅内填充玻璃纤维,减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维,减少户墙之间的热传递。5)建筑防火技术。火灾是对钢结构建筑的最大危害,钢材虽为非燃烧材料,但钢材不耐火,对于轻钢结构尤其要注意防火技术的应用,所以,钢结构不仅要进行结构的抗火设计,还要采用防火措施保护。目前常用的防火措施有防火涂料法、隔离法、实心包裹法、膨胀漆覆盖法。6)建筑隔声技术。轻钢建筑中,将玻璃棉填充在内外墙及楼盖格栅之间,能有效阻止通过空气传播的噪声,而对于通过固体传播的冲击声,有两种处理办法:对于分户墙用两道墙柱构成带有中间空隙的两道墙体;而对于吊顶用的固定石膏板的小龙骨,用带有小切槽的弹性构造以有效减少楼层间的固体声传播。

3 轻钢结构主要构件的设计要点

1)钢架柱与梁。轻钢结构钢架柱和梁的设计主要应进行梁柱板件的宽厚比限值计算、梁柱构件的强度计算、梁腹板加劲肋的配置、钢架柱整体稳定计算等。钢结构住宅一般为大开间,钢架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应该考虑强柱弱梁的要求。2)屋面板楼盖设计。在多层轻钢房屋中,楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性。因此,它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外,更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用;从抗震角度来看,还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有:压型钢板—现浇混凝土组合楼板,现浇钢筋混凝土板以及钢—混凝土叠合板,而以第一种最为常用,即在钢梁上铺设压型钢板,再浇筑100 mm～150 mm的钢筋混凝土板,压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。3)檩条支撑构件设计。檩条可分为实腹式檩条、空腹式檩条和格构式檩条,优先采用实腹式构件。实腹式檩条宜采用卷边槽形和带斜卷边的Z形冷弯薄壁型钢。檩条一般设计成单跨简支构件,实腹式檩条尚可设计成连续构件。4)节点设计。框架梁柱节点一般采用两种连接方法,弱轴方向与梁的连接多采用铰接,而强轴方向采用刚接形式。一般均采用在构件端部焊一端板(翼缘与端板应采用全焊透对接焊缝,腹板与端板可采用角焊缝),然后再用高强度螺栓互相连接。

4 轻钢结构发展所面临的问题

1)轻钢结构的技术标准和规范有待进一步形成和完善。我国的标准规范是针对几十年来大量使用的结构体系编制的,近几年,根据建设部技术标准编制工作计划,虽然有一些轻钢结构技术规范出版,但在全国还尚未形成强制性规范条文。在建造试验工程并取得经验的基础上,就应不失时机地编制相应的轻钢结构住宅技术标准和规范。由于与国外标准体系、技术环境的差异,甚至标准管理方式和部门分工的不同,都使这项工作在我国具有相当的难度,要把国外轻钢结构住宅嫁接到中国的技术标准体系中来,还有许多深入细致的研究和协调工作要做。2)轻钢建筑设计理念与国外存在一定的差距。轻钢结构建筑由于其特殊的材料和先进的设计软件,得以使设计程序实现建筑结构一体化设计,即建筑设计与结构设计同时完成,并不像混凝土建筑的设计是按着先建筑设计后结构设计的理念进行设计,国外轻钢结构企业都是遵循这样一条理念,而国内的大多数企业仍执行混凝土建设设计的原则。另外,我国轻钢结构的主体结构设计、维护系统的设计分开来进行,而国外普遍的做法是统一进行设计,甚至有些企业仍然执行建筑模数制,这就保证了建筑整体安装的精确度。3)缺少研究轻钢结构的专业工程技术人员。我国在较长的一段时间内,大多从事单一的混凝土结构工程设计和施工,此外,中等或是高等专业学校的教学内容中均未涉及轻钢结构住宅体系,因此我国建筑类专业的工程技术人员对这一体系知之甚少,而更加缺乏的是熟练技术工人,目前应大力加强和提高各级技术人员的轻钢结构业务水平,充分发挥各高等院校、学术团体等举办轻钢结构技术讲座、规范培训班等。4)现行的建筑管理模式与轻钢结构这种工业化生产方式不相适应。在建筑管理方面,我国现行的建筑管理模式与轻钢结构住宅这种工业化生产方式也不适应,因此,要改变现行的建筑管理模式以适应轻钢结构工业化的生产方式。

5 结语

本文在理解轻钢结构基本概念的基础上,探究了轻钢结构的设计理念,分析了轻钢结构的优点、轻钢结构的构造特点和设计要点,提出轻钢结构发展所面临的问题,对轻钢结构设计有一定的指导意义。

[1] 中华钢结构论坛、机械工业第四设计研究院.轻钢结构设计[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 姜红卫.浅谈轻钢结构中屋面系统的若干问题[J].中国集体经济,2008(2):9-12.