轻钢结构特性和在房屋工程中的应用

郭俊琼

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

1 轻钢结构的概念

1.1 轻钢结构的定义

轻钢结构即轻型钢结构建筑体系，是以热轧轻型H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。

1.2 轻钢结构和重钢结构的区别

根据轻型钢结构设计规程，轻钢结构和重钢结构可用主要受力构件的截面组成以及重量来区分。以下的结构都可称为轻型钢结构:(1)由冷弯薄壁型钢建成的结构;(2)由热轧轻型型钢建成的结构;(3)由焊接和高频焊接轻型型钢组成的结构;(4)由圆管、方管、矩形管等建成的结构;(5)由薄钢板焊成的构件建成的结构。以下的结构可以称为重型钢结构:(1)用钢量大于等于50 kg/m2;(2)主要构件钢板厚度大于等于10mm。

2 轻钢结构的建筑特性

2.1 轻钢结构的构造特点

2.1.1 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。

2.1.2 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，分别为:高密度木纤维水泥板;满铺压型钢板再浇筑20mm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。

2.2 轻钢结构的设计要点

2.2.1 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。

2.2.2 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100～150mm的钢筋混凝土板，压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。

2.2.3 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块端板(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。

2.3 轻钢结构的主要优点

(1)抗震性:低层别墅的屋面大都为坡屋面，因此屋面结构基本上采用的是由冷弯型钢构件做成的三角型屋架体系，轻钢构件在封完结构性板材及石膏板之后，形成了非常坚固的“板肋结构体系”，这种结构体系有着更强的抗震及抵抗水平荷载的能力，适用于抗震烈度为8度以上的地区。

(2)抗风性:型钢结构建筑重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强。建筑物自重仅是砖混结构的五分之一，可抵抗70m/s的飓风，使生命财产能得到有效的保护。

(3)耐久性:轻钢结构住宅结构全部采用冷弯薄壁钢构件体系组成，钢骨采用超级防腐高强冷轧镀锌板制造，有效避免钢板在施工和使用过程中的锈蚀影响，增加了轻钢构件的使用寿命。结构寿命可达100年。

(4)节能环保:全部采用高效节能墙体，保温、隔热、隔音效果好，可达到50%的节能标准;材料可100%回收，真正做到绿色无污染。

3 轻钢结构在房屋工程中的应用实例

3.1 轻钢结构在工业厂房中的应用

某采用轻钢结构的典型厂房，双20m跨，双坡屋面，双跨各设10 t和20 t吊车，轨顶处高8 m，地处7度地震区如图1。

图1 轻钢结构厂房

该设计在厂房中应用较为普遍，但有一些问题应该引起重视。其屋盖横向水平支撑设在端部第一跨，而柱间支撑则设在端部第二跨，与“在设置支撑的开间，宜同时设置屋盖横向水平支撑，以组成几何不变体系”的原则不符，不能很好地起到作用。

同时这一厂房屋面坡度较大，中柱上柱高(牛腿标高以上)比边柱高出1.2 m，而中柱和边柱使用同一尺寸的上柱柱间支撑，使得上柱支撑传来的纵向力不能直接传到下柱支撑，直至基础顶面，使柱子中部承受上柱柱间支撑传来的水平分力，会造成一定的结构隐患。

图2 多层轻型钢结构示意

3.2 轻钢结构在民用住宅中的应用

目前轻钢结构用于民宅的还不多，不过由于其显著的优点，应该在民用住宅领域得到大力的推广。图2为轻钢结构在民宅中的应用。

在图2的刚架设计中，刚架的关键节点即梁柱连接的刚节点应给予高度重视，并严格遵守设计规程的强制性条文规定。

3.3 轻钢结构在车站建设中的应用

某火车站台雨棚，全长180m，柱距6 m，如图3所示。

图3 车站雨棚

经分析发现，该设计有一处不太合理，需引起注意。因柱顶有集水沟及落水管，将柱顶纵向水平刚性系杆移到悬臂梁的端部，与“单跨房屋边柱柱顶和屋脊应沿房屋全长设置刚性系杆”的原则不符。集水沟与柱顶的连接只是一般定位焊接，没有传递纵向水平力的要求，不能起到纵向刚性系杆的作用，使站台罩棚纵向稳定性无法保证。

4 结论

(1)轻钢结构特性鲜明、优点突出，在房屋建设中，可以很好的替代砖瓦、混凝土等传统建筑材料。

(2)轻钢结构房屋在我国还处于发展阶段，一些设计理念和施工技术尚不成熟，在设计时需着重注意支撑系统布置、连接构造设计等问题。

［1］CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］

［2］GB 50017－2003钢结构设计规范［S］

［3］梁栋.浅谈轻钢结构的设计与发展［J］.山西建筑，2010，36(7)